Der Raum in den Eiern steuert die ersten paar Schritte des Lebens

Stellen Sie sich vor, Sie sitzen bei einem Meeting, bei dem die Form des Tisches und Ihr Platz daran Einfluss darauf haben könnten, wie Sie mit den anderen Mitgliedern auskommen. Zellen kommunizieren auch mit ihren nächsten Nachbarn, und bei Embryonen wird bei der „Sitzordnung“ für die ersten Zellen nichts dem Zufall überlassen. Es bleiben jedoch Fragen, wie dieser Prozess gesteuert wird und wie er das Gesamtwachstum eines Organismus beeinflussen kann.

Aufbauend auf ihren früheren Studien zur Entwicklung von Wurmeiern haben Forscher des Kanagawa Institute of Technology der Universität Kyoto und des National Institute of Genetics nun die Form von Eierschalen präzise modelliert, um zu zeigen, wie sich der Raum im Ei und die Konturen der Schale richten die relativen Positionen der Zellen im wachsenden Embryo. Ihre Ergebnisse könnten eine theoretische Grundlage dafür liefern, die Entwicklung von Stammzellen zu größeren Geweben und Organen zu lenken.

Der Hauptautor Professor Sungrim Seirin-Lee vom Institute for the Advanced Study of Human Biology (WPI-ASHBi) der Universität Kyoto sagte: „Wir haben herausgefunden, dass, wenn Caenorhabditis elegans-Embryonen das 4-Zell-Stadium erreichen, es fünf Muster gibt, die sich die Zellen selbst anordnen in den Räumen des Eies. Aber die T-umgekehrten Anordnungen, die wir fanden, stimmten nicht mit unseren vorherigen Berechnungen überein, die auf der Anziehungskraft der Zellen und dem Seitenverhältnis der Eier beruhten. Wir stellten fest, dass unserem Modell etwas fehlte.“

Bei der Betrachtung von Eiern des Wurms Caenorhabditis elegans unter dem Mikroskop war dem Team zuvor aufgefallen, dass in Eiern mit längerer Form die ersten vier Zellen in einer Reihe angeordnet sind; wäre die Schale hingegen rund, würden sich die Zellen zusammenballen. Sie identifizierten auch ein unerklärliches „T-umgekehrtes“ Muster in einigen Eiern, bei dem sich drei Zellen bündeln und eine Lücke in Form eines T bilden, mit einer Zelle in einer Reihe am Ende.

Das Team stellte die Hypothese auf, dass die Bildung dieses Musters durch Variationen in den Konturen der Eierschale gesteuert werden könnte. Um dies zu testen, wendeten sie ein ausgefeilteres mathematisches „Phasenfeld“-Modell an, das die von Würmern gemessene tatsächliche Eiform genauer berücksichtigen könnte. Dieses neue Modell reproduzierte erfolgreich die vorherigen Ergebnisse und berücksichtigt nun auch die ungeklärte T-Reverse-Anordnung. Die Ergebnisse zeigen erstmals, dass die bisher ignorierten lokalen Konturen des Eies die Zellmuster beeinflussen.

In der neuen Betrachtungsweise des Embryos stellt sich heraus, dass tatsächlich der „Raum im Ei“ ein Schlüsselfaktor ist, der die Zellmuster antreibt. Um dieses Konzept weiter zu testen, untersuchten die Forscher die Eier von Würmern, die genetisch verändert wurden, um mehr Platz für die Zellen im Inneren zu schaffen. Mit zusätzlichem Platz zogen es die ersten vier Zellen vor, sich in einer Linie auszubreiten, anstatt sich zu bündeln.

Seirin-Lee sagte: „Wurmeierschalen werden oft als einfache ovale Form behandelt, aber die tatsächliche Form kann in einigen Fällen näher an einer Kapsel liegen. Wir verstehen jetzt, wie wichtig geometrische Einschränkungen und Platz für die Steuerung von Zellen sind, und dieses Konzept gilt auch für menschlichen Zellen. Wir hoffen, dass diese Arbeit uns zu einem besseren Umgang mit der künstlichen Kontrolle der Zelldifferenzierung führen und die Möglichkeiten von Stammzelltechniken erweitern wird.“

Der Artikel „The extra-embryonal space and the local contour are critical geometric constraints Regulation cell Anordnung“ wurde am 12. Mai 2022 in der Zeitschrift veröffentlicht Entwicklung.