Bei Säugetieren, einschließlich des Menschen, laufen während der Entwicklung des Embryos im Mutterleib komplexe biochemische Prozesse ab. Gene werden abgelesen, Proteine produziert und Zellen umgebaut, um sie auf ihre späteren unterschiedlichen Aufgaben vorzubereiten. Dabei teilen sie sich tausendfach und werden nach jeder Zellteilung neu arrangiert. „Diese frühen Schritte der Embryonalentwicklung sind entscheidend, da sie die Grundlage für alle nachfolgenden Entwicklungsprozesse bilden“, erklärt Co-Seniorautor Edouard Hannezo vom Institute of Science and Technology Austria (ISTA).
Diese Vorgänge laufen jedoch bei Säugetieren nicht in jeder Zelle im selben Tempo und zur selben Zeit ab, sondern variieren in ihrer Geschwindigkeit. Die Teilung von einem vierzelligen zu einem achtzelligen Embryo dauert beispielsweise manchmal nur 30 Minuten, in anderen Embryos hingegen bis zu drei Stunden. Dennoch entwickeln sich stets Embryos mit denselben Körperstrukturen, die zu jeder Stufe der Entwicklung gleich sind. Der Ablauf ist präzise und robust, trotz seines schwankenden Tempos auf Zellebene. Doch ist die variable Geschwindigkeit eher ein störendes Phänomen, das durch andere Prozesse ausgeglichen wird, oder eine grundlegende Voraussetzung für gesunde Babys?
Von einzelnen Zellen zur geordneten Struktur
Dieser Frage ist ein Team um Hannezo und Erstautor Dimitri Fabrèges vom Hubrecht Institut in Utrecht nachgegangen. Dafür untersuchten die Biologen und Physiker in verschiedenen Experimenten die zeitliche und räumliche Entwicklung der Embryos von Mäusen, Kaninchen und Javaneraffen. Die Embryos waren dabei in einem sehr frühen Stadium und besaßen zwischen vier und 64 Zellen. Die Forschenden manipulierten darin einzelne Gene oder Entwicklungsstufen und untersuchten den Effekt, insbesondere auf die Zell-Zell-Kontakte. „Wir glauben, dass wir die meisten wichtigen Details über die Morphologie eines Embryos ableiten können, indem wir die Anordnung der Zellen verstehen oder wissen, welche Zellen physisch verbunden sind – ähnlich wie Verbindungen in einem sozialen Netzwerk“, erklärt Hannezos Kollege Bernat Corominas-Murtra. Dafür bildete das Team die Zellanordnungen zusätzlich in einem physikalischen Modell nach. Durch diesen gekoppelten Ansatz konnten die Forschenden detailliert nachvollziehen, wie ein früher Embryo heranwächst und welche Zellteilungen wann stattfinden.
Diese Analysen offenbarten, dass sich robuste Gewebestrukturen leichter ausbilden, wenn die Zellteilung asynchron statt synchron verläuft. Das Timing der Zellteilung gerät zwar in der Natur eher zufällig und passiv aus dem Takt und folgt scheinbar keinem vorgegebenen Muster. Doch es erfüllt einen wichtigen Zweck, indem es die präzise Embryonalentwicklung erleichtert, wie das Team berichtet. „Wir haben festgestellt, dass die Zufälligkeit in Bezug auf Zeitpunkt und Art der Zellteilung tatsächlich dazu beiträgt, dass sich Embryonen richtig entwickeln“, sagt Fabrèges.
