Wie komplizierte Muster in sich entwickelnden Geweben entstehen

Die frühe Entwicklung ist wie ein sorgfältig choreografierter Tanz, bei dem sich gleichmäßige Zellschwaden zu kunstvollen Mustern anordnen – ein erster Schritt zur Bildung funktionsfähiger Organe. Eine flache Schicht aus Hautzellen muss zum Beispiel in eine übersät mit ordentlichen Ansammlungen von Haarzellen und Schweißdrüsen übergehen.

Eine neue Studie des Laboratory of Morphogenesis an der Rockefeller University unter der gemeinsamen Leitung von Amy Shyer und Alan Rodrigues zeigt, dass Entwicklungsmuster spontan aus physikalischen Interaktionen zwischen Zellkollektiven und der sie umgebenden Matrix entstehen können. Solche Wechselwirkungen erzeugen flüssigkeitsähnliche Eigenschaften, die eine Musterbildung ermöglichen, analog dazu, wie sich ein Wasserfilm auf der Windschutzscheibe in Tropfen zusammenzieht.

Unter Verwendung von Hühnerhaut als Modellsystem fanden die Forscher heraus, dass mechanische Kräfte zwischen Zellen die Symmetrie des Gewebes brechen und die Zellen dazu bringen, sich zu periodisch beabstandeten Bündeln zu aggregieren, aus denen später Federn im gesamten Hautgewebe wachsen. Diese strukturellen Veränderungen lösen sekundäre Genexpressionsänderungen aus, die zu klassischen molekularen Signalen führen und die Entwicklung vorantreiben.

Die Ergebnisse, veröffentlicht in Zelleliefern ein besseres Verständnis der physikalischen Faktoren, die an der Formung von Organen beteiligt sind.

„Die Organentwicklung beinhaltet eine kontinuierliche Zusammenarbeit zwischen mechanischen und molekularen Prozessen“, sagt Assistenzprofessorin Amy Shyer. „Das Verständnis der genauen Abfolge der Schritte in dieser Rückkopplungsschleife könnte uns helfen, Gewebe zu reparieren oder die Tumorbildung aus neuen Blickwinkeln zu untersuchen.“

Aufsteigende Strukturen

Wenn aus homogenem embryonalem Gewebe neue Organe entstehen, scheinen sie aus vielen Möglichkeiten die optimale Struktur zu nehmen. „Eines der mysteriösen Dinge an diesen Strukturen ist, dass sie ein perfektes Muster eingebaut haben, das die Effizienz ihrer Funktion wirklich maximiert“, sagt Shyer.

Historisch gesehen wurde den Genen ein Großteil der Anerkennung für diese Meisterleistung der biologischen Technik zugeschrieben. Es sind unsere Gene, so die Überlegung, die einen molekularen Bauplan liefern, der bestimmt, wie sich Zellen in organspezifische Komponenten spezialisieren und wie sie sich neu anordnen, um komplizierte Strukturen entstehen zu lassen. Aber einige Wissenschaftler haben Gründe gefunden, diese Theorie in Frage zu stellen. Beispielsweise bilden sich einige Strukturen in einem so großen Maßstab, dass es schwierig ist zu erklären, wie molekulare Signale die Musterbildung über einen so langen Bereich überwachen, was darauf hindeutet, dass andere Mechanismen eine Rolle spielen müssen.

Aus einer alternativen Perspektive konzentrieren sich Shyer und Rodrigues auf die Rolle der kollektiven Zellmechanik bei der Morphogenese. Ihre frühere Arbeit hat gezeigt, dass morphologische Veränderungen in der Vogelhaut auftreten, bevor die an der Follikelbildung beteiligten Gene exprimiert werden. „Es sind also nicht unbedingt die Gene, die die ersten morphologischen Veränderungen initiieren“, sagt Rodrigues. „Stattdessen fanden wir heraus, dass sich die Zellen selbst organisieren, um Follikel zu initiieren. Gleichzeitig kannten wir den genauen Mechanismus nicht, der diese Selbstorganisation ermöglicht.“

Kollektive Ausrichtung

In der neuen Studie wollte das Team von Shyer und Rodrigues genauer untersuchen, was genau das Gewebe dazu antreibt, sich zu verändern. Um die Momente vor der Musterbildung zu vergrößern, verwendeten die Forscher primäre Hautzellen, die frisch aus Hühnerembryos entnommen wurden, und fügten Kollagen hinzu, eine wesentliche Komponente, die der Haut Struktur verleiht. Nur diese beiden Zutaten reichten aus, um den gesamten Prozess in einer Laborschale zu entfalten. Dieses System ermöglichte es den Forschern, die natürliche Hautentwicklung zu rekonstruieren und gleichzeitig alle potenziellen molekularen Hinweise aus benachbarten Geweben zu eliminieren.

Karl Palmquist, Hauptautor der Studie, beobachtete den Prozess der Zellaggregation Bild für Bild und stellte fest, dass die kontraktilen Hautzellen begannen, sich an das sie umgebende netzartige Substrat auf Kollagenbasis zu heften und daran zu ziehen. Dann machte er eine Schlüsselbeobachtung: Die Zugkraft vieler Zellen richtet die Matrix neu zu einer hochgeordneten Struktur aus, die dem Zug widersteht. Die Zellen, die die erhöhte Spannung spüren, ziehen sich zunehmend zusammen und verstärken ihre Anziehungskraft. Schließlich erzeugen reziproke Kräfte zwischen den Zellen und der extrazellulären Matrix eine kollektive Ausrichtung der Zellen, die es dem Zellfeld ermöglicht, sich in ein geordnetes Muster follikelartiger Aggregate umzuwandeln.

Zusammen mit Anna Erzberger, einer leitenden Autorin, die früher Postdoc im Labor von James A. Hudspeth war und derzeit Gruppenleiterin am Europäischen Labor für Molekularbiologie in Heidelberg ist, entwickelte das Team ein theoretisches Modell der Hautentwicklung auf der Grundlage von physikalische Eigenschaften von Flüssigkeiten. Dieses Modell sagte die spontane Bildung regelmäßiger vielzelliger Aggregate genau voraus.

Das Team plant zu untersuchen, inwiefern ähnliche mehrzellige Mechanismen bei der Strukturierung anderer Gewebe des Körpers in Entwicklung und Krankheit eine Rolle spielen können.