Entspannung in stressigen Zeiten der Gastrulation

Forscher entdecken einen Mechanismus, der, ähnlich wie bei der Wundheilung, Gewebe während der Ausdehnung in einen flüssigkeitsähnlichen Zustand umwandelt.

3D-Visualisierung verschiedener Stadien der Triboliumepibolie, überlagert mit rechnerisch gewonnenen quantitativen Informationen zum Zellverhalten, dargestellt als Farbcode. © Akanksha Jain et al. / MPI-CBG

Die Gastrulation ist einer der am meist untersuchten biologischen Prozesse. Während der Gastrulation gibt es im Embryo Gewebebewegungen und Faltungsvorgänge, bei denen die aus einer Zellschicht bestehende Keimblase (eine Hohlkugel aus Zellen) in ein mehrschichtiges Gebilde, die sogenannte Gastrula umgewandelt wird. Während dieses Prozesses müssen viele tierische Embryonen eine schützende Zellschicht um die Eizelle ziehen und schließen. Die sich ausbreitenden Zellen bilden schließlich eine durchgehende Schicht, die den Embryo und den Dottersack vollständig umhüllt. Dieser spektakuläre Vorgang wird Epibolie genannt, dessen Mechanismus bisher noch ist nicht gut erforscht ist.

Während des Ausdehnungsprozesses werden die Zellen, die eine zusammenhängende Epithelschicht bilden, mechanisch belastet: Zuerst muss sich die Schicht ausdehnen, um das gesamte Ei zu umhüllen, und dann, wenn der Ei-Äquator erreicht ist, muss das sich ausdehnende Gewebe wieder zusammenziehen, um sich am Boden des Eis nahtlos zu schließen. Es ist, als würde man sich eine Badekappe wie eine Ski-Maske über den Kopf ziehen. Sowohl in der Schwimmkappe als auch in der Epithelschicht erzeugt dies mechanische Spannungen, die freigesetzt werden müssen. Aber wie gelingt dies dem Gewebe? Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für molekulare Zellbiologie und Genetik (MPI-CBG) in Dresden, des Institute of Molecular Biology and Biotechnology of the Foundation for Research and Technology Hellas (IMBB-FORTH) in Heraklion, Griechenland, des Janelia Research Campus am Howard Hughes Medical Institute in Ashburn, USA, und des Zentrums für Systembiologie Dresden (CSBD) wollten diese Frage am Beispiel der Entwicklung des Rotbraunen Reismehlkäfers Tribolium castaneum beantworten.

Mithilfe der Spitzentechnologie, die am MPI-CBG und am CSBD zur Verfügung steht, fanden die Forscher einen Mechanismus, der das Epithelgewebe in einen flüssigkeitsähnlichen Zustand versetzt, so dass es sich leichter über das ungefähr kugelförmige Ei ausdehnen kann. Akanksha Jain, eine kürzlich promovierte Doktorandin im Forschungslabor von Pavel Tomancak am MPI-CBG, hat diesen Mechanismus in ihrem Dissertationsprojekt entdeckt. Sie erklärt: „Wir arbeiteten mit dem Lichtmikroskopie-Service des Instituts zusammen und setzten fortschrittliche Bildanalyse- und Computermodellierungsmethoden ein, um den Prozess der Verflüssigung in der Epithelschicht zu beobachten und zu analysieren. Um die tatsächliche Spannung im sich ausbreitenden Gewebe zu untersuchen, verwendeten wir ein Laserschneideverfahren“, erklärt sie. Die Forscher beschrieben ein Aktomyosinkabel am Rand der Epithelschicht, die sich um das Ei herumschließt. Das Kabel schrumpft und verschließt letztendlich das sich ausdehnende Gewebe am Boden des Eis. Die Menge an Actomyosin, einer biologischen Substanz, die den Zellen die Fähigkeit verleiht, sich zusammenzuziehen, ist in den verschiedenen Zellen am Rand der sich ausdehnenden Epithelschicht unterschiedlich. Dies führt dazu, dass die Zellen mit dem meisten Actomyosin im Vergleich zu ihren Nachbarn schneller schrumpfen und diese Zellen dazu neigen, den Rand der Epithelschicht zu verlassen. Auf diese Weise trägt das Aktomyosinkabel zur Verflüssigung des Gewebes bei, indem es Zellen am Rand herauswirft und die entstehende dabei Spannung freisetzt.

Pavel Tomancak, der die Studie leitete, fasst zusammen: „Da dieser Verflüssigungsprozess während der Epibolie, dem Mechanismus der Wundheilung ähnelt, nehmen wir an, dass er ein konservierter Mechanismus für die Schließung von Epithellücken sein könnte. Diese Erkenntnis erlaubt es uns, evolutionäres Denken zu nutzen, um zu verstehen, wie Zellen physikalische Mechanismen ausnutzen, um während der normalen Entwicklung und nach Verletzungen Löcher in Geweben zu schließen.“

Originalpublikation

Akanksha Jain, Vladimir Ulman, Arghyadip Mukherjee, Mangal Prakash, Marina B. Cuenca, Lokesh G. Pimpale, Stefan Münster, Robert Haase, Kristen A. Panfilio, Florian Jug, Stephan W. Grill, Pavel Tomancak and Anastasios Pavlopoulos: Regionalized tissue fluidization is required for epithelial gap closure 1 during insect gastrulation. Nature Communications, 5 November 2020. doi: 10.1038/s41467-020-19356-x