Wenige Stunden nach der Befruchtung beginnt eine Eizelle, sich zu teilen. Mit der Zeit differenzieren sich verschiedene Zelltypen aus. Sie beginnen, räumliche Muster zu bilden, die später zu unterschiedlichen Geweben und Strukturen im Organismus werden. Wie genau dieser Prozess, die sogenannte Morphogenese funktioniert, beschäftigt Forscher seit Jahrzehnten und gibt nach wie vor Rätsel auf. Forscher um Sean Megason von der Harvard Medical School haben nun an Zebrafischembryonen einen wichtigen Kontrollmechanismus aufgedeckt, der die Zellen dazu befähigt, sich selbst zu organisieren.
Gleiche Zelltypen bleiben bevorzugt zusammen
Dazu untersuchten die Forscher, wie stark verschiedene Zelltypen im Rückenmark der Zebrafischembryonen aneinander haften. Die Haftung zwischen den Zellen, die sogenannte Adhäsion, ist relevant, da nebeneinander liegende Zellen während der Embryonalentwicklung häufig auseinandergerissen werden, wenn sich Zellen umlagern und neue Zellen gebildet werden. Dies stellten die Forscher im Labor nach, indem sie zwei oder drei Zellen mit Mikropipetten auseinanderzogen und die dafür benötigte Kraft maßen. Bei allen drei untersuchten Zelltypen zeigte sich, dass die Haftung zwischen Zellen des gleichen Typs am stärksten war.
Zusätzlich analysierten die Forscher, welche Moleküle für die verschiedenen Haftungseigenschaften verantwortlich sind. Dabei stellten sie fest, dass jeder Zelltyp ein spezifisches Adhäsionsprofil hat, bei dem die beteiligten Haftungsmoleküle in unterschiedlichem Maße ausgeprägt sind. Dieser Adhäsionscode bestimmt also darüber, mit welchen ihrer Nachbarn eine Zelle bevorzugt in Verbindung bleibt. “Alle drei Adhäsionsmoleküle, die wir betrachtet haben, werden in unterschiedlichen Mengen in jedem Zelltyp hergestellt”, sagt Erstautor Tony Tsai. “Zellen verwenden diesen Code, um bevorzugt an Zellen ihres eigenen Typs zu haften, was es verschiedenen Zelltypen ermöglicht, sich während der Musterbildung zu trennen. Aber Zellen halten auch ein gewisses Maß an Haftung mit anderen Zelltypen, da sie zusammenarbeiten müssen, um Gewebe zu bilden. Indem wir diese lokalen Interaktionsregeln zusammenfügen, können wir das globale Bild beleuchten.”
Mehr als nur Morphogene
Doch wie kommt es zu diesen unterschiedlichen Adhäsionscodes? Was veranlasst die Zellen, die entsprechenden Moleküle in unterschiedlicher Menge herzustellen? Den Ergebnissen der Forscher zufolge sind dafür übergeordnete Signalmoleküle verantwortlich, sogenannte Morphogene. Diese regulieren während der Embryonalentwicklung das Zellschicksal sowie die Musterbildung. Zur genauen Funktionsweise dieser Morphogene gibt es verschiedene theoretische Modelle. Eines der wichtigsten ist das Französische Flaggenmodell. Gemäß diesem Modell werden Morphogene aus einzelnen Quellen im Embryo freigesetzt, wobei nahegelegene Zellen höheren Mengen des Signalmoleküls ausgesetzt sind als weiter entfernte. Die Menge des Signalmoleküls bestimmt darüber, welches zelluläre Programm aktiviert wird. Konzentrationsgradienten von Morphogenen “malen” daher Muster auf Gruppen von Zellen, was an die unterschiedlichen Farbbänder der französischen Flagge erinnert.
