Wie entwickelt sich der menschliche Embryo, kurz nachdem er sich in der Gebärmutter eingenistet hat? Diese Frage konnten Forscher bislang noch nicht im Detail beantworten. Ein der Wissenschaft gespendeter menschlicher Embryo, der aus einem Schwangerschaftsabbruch zwischen dem 16. und 19. Tag nach der Befruchtung stammt, hat nun einzigartige Einblicke in eine wichtige Phase der menschlichen Frühentwicklung ermöglicht, die Gastrulation. Erstmals konnten Forscher detailliert beschreiben, welche Zelltypen in dieser Phase vorkommen und welche Gene sie exprimieren. Die Erkenntnisse helfen dabei, zukünftig Modellsysteme besser nutzen und interpretieren zu können.
Die Gastrulation stellt einen entscheidenden Schritt in der menschlichen Embryonalentwicklung dar. Dabei bildet sich in der dritten Woche nach der Befruchtung die sogenannte dreiblättrige Keimscheibe, aus der sich später die verschiedenen Körperteile des Embryos entwickeln. Diese Phase gilt als Beginn der menschlichen Individualität. Aus eben diesem Grund ist es international verboten, Embryonen im Reagenzglas länger als 14 Tage nach der Befruchtung zu untersuchen. Die meisten Erkenntnisse über die Gastrulation beim Menschen stammen daher aus tierischen oder zellulären Modellsystemen. Doch ohne ein natürliches Vorbild war die Aussagekraft dieser Modelle begrenzt.
Analyse von Zelltypen und Genexpression
Ein Team um Richard Tyser von der University of Oxford hatte nun die außergewöhnliche Gelegenheit, einen echten menschlichen Embryo im Alter von 16 bis 19 Tagen zu untersuchen. Der Embryo stammte aus einer ungewollten Schwangerschaft und wurde nach der Abtreibung der Forschung zur Verfügung gestellt. „Die Probe war völlig intakt und morphologisch normal“, schreiben die Forscher. „Unsere Analysen deuten darauf hin, dass diese Probe für die normale menschliche Gastrulation repräsentativ ist.“ Dennoch betonen sie, dass Verallgemeinerungen nur in begrenztem Rahmen zulässig sind, da die Erkenntnisse lediglich auf einer einzigen Probe beruhen.
Tyser und seine Kollegen kartierten 1.195 einzelne Zellen des Embryos und ordneten sie elf verschiedenen Zelltypen zu, darunter das Endoderm, aus dem unter anderem der Verdauungstrakt entsteht, sowie verschiedene Typen von Mesoderm, aus denen sich später unter anderem Knochen, Muskeln und verschiedene innere Organe entwickeln. Zusätzlich analysierten sie für alle Zelltypen, welche Gene in den jeweiligen Zellen aktiv waren. Dabei erfassten sie rund 4.000 Gene pro Zelle. Da es sich bei dem Embryo um einen Jungen handelte, ließ sich in allen Zellen eine Aktivität des Y-Chromosoms nachweisen, sodass die Forscher eine Kontamination durch mütterliche Zellen ausschließen konnten.
Ähnlichkeiten und Unterschiede zu Modellsystemen
Um die Ergebnisse einzuordnen und vergleichbar zu machen, glichen die Forscher die gewonnenen Daten des menschlichen Embryos mit bisherigen Modellsystemen ab, darunter der Gastrulation bei Mäusen und Makaken sowie einem In-Vitro-Modell, bei dem mit Hilfe von embryonalen Stammzellen die Gastrulation im Reagenzglas nachgestellt wird. „Die Analyse der Genexpression bei den drei Arten ergab große Ähnlichkeiten, aber auch einige spezifische Unterschiede“, berichten die Forscher. So wurden viele Gene sowohl bei Menschen als auch bei Mäusen während der Gastrulation ähnlich aktiviert. „Das deutet darauf hin, dass die Maus ein gutes Modell für die menschliche Gastrulation darstellt“, folgern Tyser und seine Kollegen.
In einigen wichtigen Aspekten entdeckten sie dagegen gravierende Unterschiede. So zeigten sich bereits bei dem kaum mehr als zwei Wochen alten menschlichen Embryo Vorläufer von roten Blutkörperchen. Auch die entsprechenden Globin-Gene waren aktiv. „Dies war unerwartet, da pigmentierte Blutzellen im entsprechenden Stadium bei Mäuseembryonen fehlen“, so die Forscher. „Das Vorhandensein von Zellen mit Hämoglobin und mehreren blutbildenden Vorläuferpopulationen deutet darauf hin, dass die Bildung der Blutzellen beim Menschen im Vergleich zu Mäuseembryonen im gleichen Stadium weiter fortgeschritten ist.“ Außerdem entdeckten die Forscher bei dem Embryo bereits sogenannte primordiale Keimzellen, also Vorläuferzellen, aus denen sich später Eizellen oder Spermien entwickeln. Die Ausdifferenzierung von Zellen des Nervensystems hatte dagegen in diesem Stadium noch nicht begonnen.
Ressource für zukünftige Forschungen
„Diese für Menschen spezifischen Details der Differenzierung werden eine wertvolle Ressource sein, wenn es darum geht, Ansätze zur gezielten Differenzierung menschlicher embryonaler Stammzellen zu verfeinern“, schreiben die Forscher. „Darüber hinaus werden sie helfen, experimentelle Ergebnisse zur Gastrulation von Modellorganismen wie der Maus oder in vitro Gastrulasystemen zu interpretieren.“
Ähnlich sehen es Alexander Goedel und Fredrik Lanner vom Karolinska Institut in Stockholm, die nicht an der Studie beteiligt waren „Das Verständnis des Prozesses der Gastrulation ist von grundlegender Bedeutung für die Aufdeckung der Ursachen von angeborenen Krankheiten, frühen Fehlgeburten und Unfruchtbarkeit“, schreiben sie in einem begleitenden Kommentar, der ebenfalls in der Fachzeitschrift “Nature” veröffentlicht wurde. Entsprechend wichtig sei es auch, die Übertragbarkeit der zurzeit für die Gastrulation entwickelten In-vitro-Modelle abzuklären. „Eine sorgfältige Bewertung ihrer Übereinstimmung mit den entsprechenden Zelltypen in vivo ist notwendig, um festzustellen, ob solche Modelle das Versprechen halten, diese Blackbox der Embryologie zu öffnen und mechanistische Einblicke in dieses Stadium der menschlichen Entwicklung zu geben“ , so Goedel und Lanner.
Quelle: Richard Tyser (University of Oxford, UK) et al., Nature, doi: 10.1038/s41586-021-04158-y
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