Ein ausfallsicherer Mechanismus hält die Körpersymmetrie der Fruchtfliege auf Kurs

Wenn ein Embryo von einer befruchteten Eizelle zu einem komplexen, vielzelligen Organismus heranwächst, kann viel schiefgehen. Bei Fruchtfliegen beispielsweise können eine Handvoll verschiedener Mutationen den Embryo auf katastrophale Weise in eine Korkenzieherform verdrehen. Embryonen mit Korkenzieher sterben immer, aber wie genau diese Mutationen die verdrehte Körperform verursachen, ist nicht klar.

In einem aktuellen Artikel in Current Biology wurde festgestellt, dass sich Embryonen verdrehen, wenn ein genetisches System, das normalerweise die bilaterale Symmetrie aufrechterhält, zusammenbricht. Ohne dieses System dehnt sich das Gewebe des Embryos auf einer Körperseite schneller aus als auf der anderen und verformt es in eine tödliche Korkenzieherform. „Grundsätzlich besteht der Unterschied zwischen dem, was bei verdrehten Mutanten und normalen Embryonen geschieht, im Aufbrechen der Symmetrie“, sagt die Biologin Celia Smits, die die Arbeit als Doktorandin an der Princeton University in New Jersey leitete. Die Entdeckung deutet darauf hin, dass ähnliche Systeme möglicherweise auch bei anderen Tieren am Werk sind, sagt Smits – obwohl sie zögert, den Sprung auf den Menschen zu wagen, teilweise weil sich Menschen nicht wie Fruchtfliegen in einer Eierschale entwickeln.

Mit der Aufgabe, das Korkenziehermerkmal zu verstehen, hat Smits die Entwicklung mehrerer Dutzend Fruchtfliegen in ihren Eiern, sowohl Korkenziehermutanten als auch normale Embryonen, unter einem Lichtblattmikroskop abgebildet. Im Gegensatz zu einem herkömmlichen Konfokalmikroskop kann das Lichtblattmikroskop „beide Seiten des Embryos gleichzeitig abbilden, um die Entwicklung in 3D zu verfolgen“, sagt Smits. Jedes Ei war etwas größer als ein Stecknadelkopf, hatte ungefähr die Form einer Gummibärchen und war gentechnisch mit fluoreszierenden Molekülen versehen worden, um alle 6.000 seiner Zellen unter dem Zielfernrohr zum Leuchten zu bringen. Eine Kamera im Mikroskop zeichnete jeden Embryo etwa eine Stunde lang auf, und zwar während der genau gleichen Entwicklungsphase – nämlich der Gastrulation, den frühen Stadien der Darmbildung. Zu diesem Zeitpunkt beginnt bei einigen Mutanten die Verdrehung.

In Videos, die an Glibber erinnern, der durch eine Lavalampe wirbelt, haben die Aufnahmen die Neuordnung von Zellen in den Eiern festgehalten. Bei normalen Embryonen beginnt die Gastrulation, wenn sich das Gewebe am hinteren Ende des Körpers verengt und dann nach innen drückt. Der Embryo dehnt sich dann symmetrisch auf beiden Seiten seines Körpers aus, um die Bildung des hohlen Darmrohrs zu unterstützen. Bei Mutanten streckte sich eine Seite des Embryos nicht symmetrisch, sondern viel schneller als die andere, was dazu führte, dass der Körper seine bilaterale Symmetrie verlor und sich verdrehte.

Die nächste Frage war, was genetisch passiert war. Mit der Korkenzieherform sind einige unterschiedliche Gensysteme verbunden. Smits fotografierte Fliegen mit Mutationen in jedem dieser Gensysteme und stellte fest, dass zumindest während der Gastrulation nur ein mutiertes System zur Verdrehung führte. Es wies einen Defekt im sogenannten „Terminal Patterning System“ auf, das die Zellen dazu veranlasst, vom hinteren Ende des Embryos in den Körper vorzudringen und dort den Darm zu bilden. Smits fand heraus, dass diesen Mutanten auch ein Gen namens scb fehlte, das für ein Membranprotein kodiert, das aus der Zelle herausragt. Das Protein kann als Gerüst fungieren, das dem Embryo nachweislich dabei hilft, an der Eischale zu haften.

Jedes Mal, wenn ein Genetiker einen Symmetriefehler erkennt, weist der Fehler auf „ein System hin, das die Symmetrie hätte bewahren sollen, aber nicht perfekt funktioniert hat“, sagt der leitende Autor Stanislav Shvartsman, ein Entwicklungsbiologe in Princeton. Bei normalen Embryonen, bei denen das terminale Strukturierungssystem korrekt funktioniert, entwickelt sich der Darm mit bilateraler Symmetrie. Das deutet darauf hin, dass etwas an diesem genetischen Weg die Symmetrie aufrechterhält, während Mutanten dies nicht können.

Wie genau das terminale Mustersystem die Symmetrie in normalen Embryonen aufrechterhält, ist eine offene Frage, aber Shvartsman und Smits haben eine Theorie. Es hat sich gezeigt, dass das scb-Protein den Zellen hilft, an der Eierschale der Fruchtfliege zu haften. Bei normalen Embryonen wird das Protein aus scb in einer Pfeilspitzenform im hinteren Drittel des Körpers exprimiert. Wenn also normale Embryonen von der Mittellinie der symmetrischen Entwicklung abweichen, hilft das scb-Protein vielleicht dabei, die Zellen wieder auf Kurs zu bringen, indem es die Eierschale festhält, fast wie Stoßstangen in einer Bowlingbahn, sagt Smits.

„Im letzten Jahrzehnt haben immer mehr entwicklungsbiologische Studien das Zusammenspiel von Genen und Mechanismen (in diesem Fall Zelladhäsion und Gewebedehnung) untersucht, um zu verstehen, wie sie sich gegenseitig in der Embryonalentwicklung beeinflussen“, sagt Grigory Genikhovich, Entwicklungsbiologe an der Universität Universität Wien. Dieses neueste Papier bietet eine Fallstudie, die „sehr gut zu dieser allgemeinen Richtung passt“, sagt er.

Der Entwicklungsbiologe Daniel Grimes von der University of Oregon sieht in der Arbeit einen Mechanismus, durch den die Symmetrie bei normalen Fruchtfliegen aktiv aufrechterhalten und bei Mutanten verloren geht. „Zufällige, wenn auch kleine Unterschiede zwischen links und rechts treten zwangsläufig auf, wenn sich Embryonen bilden, aber Embryonen scheinen so eingerichtet zu sein, dass sie damit umgehen können“, sagt Grimes. „Die mutierten Bedingungen in der Arbeit sind wie ein außer Kontrolle geratener Zug, bei dem die kleinen Links-Rechts-Unterschiede immer schlimmer werden, weil der Embryo die Fähigkeit verloren hat, mit diesen zufälligen Unterschieden umzugehen.“

Mit Blick auf die Zukunft sagt Smits, dass eine nächste Forschungsrichtung darin besteht, nach Entwicklungsleitplanken für die bilaterale Symmetrie bei anderen Organismen zu suchen, insbesondere bei Meeresarten, die sich in schwankenden Umgebungen entwickeln. Das Verständnis der Mechanismen, die Fehler in der Embryogenese unterdrücken, und der Frage, welche Organismen sich am besten von Fehlern erholen können, könnte auch dazu beitragen, vorherzusagen, welche Organismen am widerstandsfähigsten gegenüber Umweltveränderungen sind.

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