Jeder Mensch beginnt als einzelne Zelle. Doch wie wird daraus ein kompletter Organismus mit Milliarden spezialisierter Zellen? Diese Frage beschäftigt die Biologie seit langem. Forscher der TU Dresden haben nun einen entscheidenden Mechanismus entschlüsselt. Die ersten Zellteilungen im Embryo funktionieren durch ein raffiniertes Spiel mit Instabilität.
Die Arbeitsgruppe von Jan Brugués am Exzellenzcluster Physics of Life untersuchte, wie sich Embryonen in der frühesten Entwicklungsphase organisieren. Dabei geht es um einen kritischen Moment. Die befruchtete Eizelle teilt sich rasend schnell in viele Einzelzellen. Doch zunächst entstehen noch keine vollständigen Zellen mit eigenen Membranen. Stattdessen wird das Zellmaterial schrittweise in Bereiche aufgeteilt. „Aus physikalischer Sicht sollte diese Instabilität die embryonale Organisation stören", erklärt Brugués. „Dennoch verläuft die Entwicklung mit beeindruckender Robustheit."
Fadenförmige Strukturen als Dirigenten
Die Wissenschaftler entdeckten die Hauptakteure dieses Prozesses: Mikrotubuli. Diese fadenförmigen Strukturen gehören zum Gerüst der Zelle. Sie lagern sich zu sternförmigen Gebilden zusammen, sogenannten Asteren. Diese Sterne breiten sich im Inneren aus und teilen so das Zellmaterial auf. Die Forscher nutzten für ihre Experimente Extrakte aus Eiern des Afrikanischen Krallenfrosches. Diese Extrakte können sich überraschenderweise auch außerhalb lebender Zellen selbstständig organisieren und aufteilen.
Das Team kombinierte Versuche mit Frosch-Extrakten, Beobachtungen an lebenden Embryonen und mathematische Modelle. Dabei zeigte sich: Die Mikrotubuli-Sterne sind von Natur aus instabil. Sie wachsen nicht einfach nebeneinander. Stattdessen dringen sie ineinander ein und verschmelzen mitunter. Das könnte die gesamte Aufteilung durcheinanderbringen.
Jede Art hat ihre eigene Lösung
Verschiedene Tierarten haben unterschiedliche Strategien entwickelt, um mit dieser Instabilität umzugehen. Zebrafische und Frösche setzen auf Geschwindigkeit. „Der Zeitpunkt der Zellteilungen ist exakt auf das Einsetzen der Instabilität abgestimmt", sagt Melissa Rinaldin, Erstautorin der Studie. Die Teilungen erfolgen so schnell, dass die Sterne sich ausbreiten können, bevor sie verschmelzen.
Die Fruchtfliege wählt einen anderen Weg. Sie bildet weniger neue Mikrotubuli-Sterne. Dadurch entstehen kleinere, stabilere Gebilde. Diese füllen das Zellmaterial schrittweise über mehrere Teilungen hinweg aus. Schon kleine Veränderungen in den physikalischen Eigenschaften der Mikrotubuli erklären große Unterschiede zwischen den Arten.
Die Dresdner Erkenntnisse haben weitreichende Bedeutung. Die Regulation der Mikrotubuli könnte als evolutionärer Schalter gedient haben. Er ermöglichte verschiedenen Arten, unterschiedliche Entwicklungswege zu beschreiten. Für die Medizin sind die Ergebnisse ebenfalls relevant. Veränderungen in der Mikrotubuli-Dynamik könnten bei der Entstehung gesunder Gewebe eine Rolle spielen. Möglicherweise sind sie auch an Krankheiten wie Krebs beteiligt.
