Forscher lüften die Geheimnisse der Zellteilung in Embryonen

Der Beginn des Lebens ist von Geheimnissen umhüllt. Während die komplizierte Dynamik der Mitose in den so genannten somatischen Zellen – den Zellen, die eine spezialisierte Funktion haben, wie Haut- und Muskelzellen – gut erforscht ist, bleibt sie in den ersten Zellen unseres Körpers, den embryonalen Zellen, schwer fassbar. Die embryonale Mitose ist bei Wirbeltieren bekanntermaßen schwer zu untersuchen, da funktionelle Live-Analysen und -Bildgebung von experimentellen Embryonen technisch begrenzt sind, was es schwierig macht, Zellen während der Embryogenese zu verfolgen.

Forscher der Abteilung für Zellteilungsdynamik am Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) haben jedoch kürzlich zusammen mit den Professoren Toshiya Nishimura von der Hokkaido-Universität (früher an der Nagoya-Universität), Minoru Tanaka von der Nagoya-Universität, Satoshi Ansai von der Tohoku-Universität (derzeit an der Kyoto-Universität) und Masato T. Kanemaki vom Nationalen Institut für Genetik eine Arbeit in Nature Communications veröffentlicht. Die Studie ist ein erster wichtiger Schritt zur Beantwortung von Fragen zur embryonalen Mitose, dank einer Kombination aus neuartigen Bildgebungsverfahren, der CRISPR/Cas9-Genom-Editierungstechnologie, einem modernen Protein-Knockdown-System und dem japanischen Reisfisch (Oryzias latipes). Die von ihnen erstellten Zeitrafferaufnahmen tragen zur Beantwortung grundlegender Fragen über den komplizierten Prozess der gleichmäßigen Teilung von Chromosomen während der embryonalen Mitose bei und zeigen gleichzeitig die nächsten Grenzen der wissenschaftlichen Erforschung auf.

Was bei der embryonalen Mitose passiert

Im Mittelpunkt des Geheimnisses der embryonalen Mitose steht der entscheidende Schritt, bei dem die Chromosomen, die die gesamte genetische Information der Zelle enthalten, ausgerichtet werden und sich gleichmäßig in die Tochterzellen aufteilen. Eine Schlüsselrolle in diesem Prozess spielt die mitotische Spindel, die aus Mikrotubuli besteht – langen Proteinfasern, die für die intrazelluläre Struktur und den Transport verwendet werden – und die von den gegenüberliegenden Polen der Spindel ausstrahlt und in der Mitte an den Chromosomen befestigt ist. Die Spindel fängt verdoppelte Chromosomen richtig ein und verteilt sie während der Teilung gleichmäßig auf die Tochterzellen. Es gibt viele Faktoren, die die Spindelbildung bestimmen, und einer davon ist das Protein Ran-GTP, das eine wesentliche Rolle bei der Zellteilung der weiblichen Fortpflanzungszellen spielt, denen die Zentrosomen fehlen – Zellorganellen, die für den Zusammenbau der Mikrotubuli verantwortlich sind -, aber nicht in kleinen somatischen Zellen, die Zentrosomen haben. Es war jedoch lange Zeit unklar, ob Ran-GTP für die Spindelbildung in frühen Embryonen von Wirbeltieren erforderlich ist, die zwar Zentrosomen enthalten, aber einzigartige Merkmale wie eine größere Zellgröße aufweisen.

Im Gegensatz zu frühen Embryonen von Säugetieren sind die embryonalen Zellen von Fischen transparent und entwickeln sich synchron in einer einheitlichen, einzelligen Schicht, was ihre Verfolgung erheblich erleichtert. Der Medaka erwies sich für die Forscher als besonders geeignet, da diese Fische eine große Bandbreite an Temperaturen tolerieren, täglich Eier produzieren und ein relativ kleines Genom haben. Die Temperaturtoleranz bedeutet, dass die Medaka-Embryonalzellen bei Raumtemperatur überleben können, was sie für lange Zeitrafferaufnahmen besonders geeignet macht. Die Tatsache, dass Medakas häufig Eier produzieren und ein relativ kleines Genom haben, macht sie zu guten Kandidaten für die CRISPR/Cas9-vermittelte Genom-Editierung. Mit dieser Technologie haben die Forscher genetisch veränderte oder transgene Medakas geschaffen, deren embryonale Zellen die Dynamik bestimmter Proteine, die an der Mitose beteiligt sind, buchstäblich hervorheben.

Bei der Untersuchung der Zeitraffer der sich entwickelnden mitotischen Spindel in lebenden, transgenen Medaka-Embryonen entdeckten die Forscher, dass große frühe Embryonen einzigartige Spindeln aufbauen, die sich von somatischen Spindeln unterscheiden. Darüber hinaus spielt Ran-GTP bei der Spindelbildung in frühen Embryonalabschnitten eine entscheidende Rolle, während die Bedeutung in späteren Embryonalstadien abnimmt. Dies ist möglicherweise darauf zurückzuführen, dass die Spindelstruktur umgebaut wird, wenn die Zellen im Laufe der Entwicklung kleiner werden, doch der genaue Grund dafür ist Gegenstand künftiger Forschung.

Die Forscher entdeckten auch, dass die frühen embryonalen Zellen nicht über einen speziellen Kontrollpunkt für die Spindelmontage verfügen, der für die meisten somatischen Zellen charakteristisch ist und der dafür sorgt, dass die Chromosomen vor der Segregation richtig ausgerichtet werden. Wie Professor Kiyomitsu vermutet, „ist der Checkpoint nicht aktiv, und dennoch sind die Chromosomentrennungen sehr genau. Dies könnte darauf zurückzuführen sein, dass sich embryonale Zellen sehr schnell teilen müssen, aber das ist etwas, das wir weiter untersuchen wollen“.

Diagnose und Behandlung menschlicher Unfruchtbarkeit

Während die genetische Veränderung des Medakafisches und die Untersuchung der frühen Embryonen zu neuen wichtigen Erkenntnissen über die embryonale Mitose geführt haben, ist dies für Professor Kiyomitsu und das Team erst der Anfang. Neben den Fragen nach der abnehmenden Rolle von Ran-GTP in späteren Stadien und dem fehlenden Kontrollpunkt für die Spindelbildung weist er auf die befriedigende Symmetrie der Zellteilungen in den Zeitraffern hin: Die Spindelbildung zeichnet sich durch ein hohes Maß an Symmetrie aus, da sich die Zellen in den Größen und definierten Richtungen zu teilen scheinen und die Spindel sich stets in der Mitte der Zellen befindet. Wie kann sich die Spindel so regelmäßig über die Zellen hinweg orientieren, und wie gelingt es ihr, jedes Mal das Zentrum zu finden?

Über die Zeitraffer hinaus hofft das Team, diese neue Grundlage mit zusätzlichen Medaka-Genlinien weiter zu festigen, die als Modelle für die Forschung an embryonalen Zellen dienen sollen, und gleichzeitig den Genom-Editierungsprozess zu optimieren. Schließlich möchte das Team die Verallgemeinerbarkeit seiner Ergebnisse durch die Untersuchung der embryonalen Mitose in anderen Organismen testen und zu einem späteren Zeitpunkt die Evolution des Spindelaufbaus und der embryonalen Teilungen erforschen, was auch zu einem besseren Verständnis der menschlichen Embryogenese und zur Entwicklung von Diagnose und Behandlung menschlicher Unfruchtbarkeit beitragen würde. Mit dieser Arbeit haben die Forscher eine solide Grundlage geschaffen, aber auch eine neue Grenze eröffnet. Laut den Experten ist die embryonale Mitose wunderschön, geheimnisvoll und schwierig zu erforschen, und sie hoffen, dass sie mit ihrer Arbeit dem Verständnis der komplizierten Vorgänge am Anfang des Lebens ein Stück näher kommen können.