Ein neuer Mechanismus zur Formung tierischer Gewebe

Eine zentrale Frage in der Biologie und Biophysik ist, wie dreidimensionale Gewebeformen während der Entwicklung von Tieren entstehen. Forscherteams des Max-Planck-Instituts für molekulare Zellbiologie und Genetik (MPI-CBG) in Dresden, des Exzellenzclusters Physics of Life (PoL) an der TU Dresden und des Zentrums für Systembiologie Dresden (CSBD) haben nun einen Mechanismus entdeckt, mit dem Gewebe so „programmiert“ werden können, dass sie von einem flachen Zustand in eine dreidimensionale Form übergehen.

Um dies zu erreichen, untersuchten die Forscher die Entwicklung der Fruchtfliege Drosophila und ihrer Flügelscheibe, die sich von einer flachen Kuppelform zu einer gebogenen Falte entwickelt und später zum Flügel einer erwachsenen Fliege wird. Die Forscher entwickelten eine Methode, um dreidimensionale Formänderungen zu messen und zu analysieren, wie sich Zellen während dieses Prozesses verhalten. Mithilfe eines physikalischen Modells auf Basis von Formprogrammierung fanden sie heraus, dass die Bewegungen und Neuanordnungen von Zellen eine Schlüsselrolle bei der Formgebung des Gewebes spielen.

Diese Studie, veröffentlicht In Wissenschaftliche Fortschrittezeigt, dass die Methode der Formprogrammierung eine gängige Methode sein könnte, um die Gewebebildung bei Tieren darzustellen.

Epithelgewebe sind Schichten eng verbundener Zellen und bilden die Grundstruktur vieler Organe. Um funktionsfähige Organe zu bilden, verändern Gewebe ihre Form in drei Dimensionen. Obwohl einige Mechanismen für dreidimensionale Formen erforscht wurden, reichen sie nicht aus, um die Vielfalt tierischer Gewebeformen zu erklären.

Während eines Prozesses in der Entwicklung einer Fruchtfliege, der als Flügelscheibenumstülpung bezeichnet wird, verwandelt sich der Flügel beispielsweise von einer einzelnen Zellschicht in eine doppelte Schicht. Wie die Flügelscheibentasche diese Formänderung von einer radialsymmetrischen Kuppel in eine gekrümmte Faltform durchläuft, ist unbekannt.

Die Forschungsgruppen von Carl Modes, Gruppenleiter am MPI-CBG und CSBD, und Natalie Dye, Gruppenleiterin am PoL und zuvor am MPI-CBG tätig, wollten herausfinden, wie diese Formänderung zustande kommt.

„Um diesen Prozess zu erklären, haben wir uns von ‚formprogrammierbaren‘ Schichten unbelebter Materialien inspirieren lassen, wie etwa dünnen Hydrogelen, die sich bei Stimulation durch innere Spannungen in dreidimensionale Formen verwandeln können“, erklärt Dye.

„Diese Materialien können ihre innere Struktur über die gesamte Fläche hinweg kontrolliert verändern, um bestimmte dreidimensionale Formen zu erzeugen. Dieses Konzept hat uns bereits geholfen zu verstehen, wie Pflanzen wachsen. Tiergewebe ist jedoch dynamischer, mit Zellen, die ihre Form, Größe und Position verändern.“

Um herauszufinden, ob Formprogrammierung ein Mechanismus zum Verständnis der tierischen Entwicklung sein könnte, maßen die Forscher Veränderungen der Gewebeform und des Zellverhaltens während der Umstülpung der Flügelscheibe der Drosophila, wenn sich die Kuppelform in eine gekrümmte Faltform verwandelt.

„Mithilfe eines physikalischen Modells haben wir gezeigt, dass kollektives, programmiertes Zellverhalten ausreicht, um die Formveränderungen zu bewirken, die man in der Flügelscheibentasche sieht. Das bedeutet, dass keine äußeren Kräfte aus dem umgebenden Gewebe erforderlich sind und die Zellumlagerungen der Haupttreiber der Formveränderungen der Tasche sind“, sagt Jana Fuhrmann, Postdoktorandin in der Forschungsgruppe von Dye.

Um zu bestätigen, dass neu angeordnete Zellen der Hauptgrund für die Beutelumstülpung sind, testeten die Forscher dies, indem sie die Zellbewegung reduzierten, was wiederum Probleme beim Gewebeformungsprozess verursachte.

Abhijeet Krishna, zum Zeitpunkt der Studie Doktorand in der Arbeitsgruppe Modes, erklärt: „Die neuen Modelle zur Formprogrammierbarkeit, die wir entwickelt haben, sind mit verschiedenen Arten von Zellverhalten verbunden. Diese Modelle umfassen sowohl gleichmäßige als auch richtungsabhängige Effekte. Zwar gab es bereits frühere Modelle zur Formprogrammierbarkeit, diese betrachteten jedoch jeweils nur einen Effekttyp. Unsere Modelle kombinieren beide Effekttypen und verknüpfen sie direkt mit dem Zellverhalten.“

Dye und Modes kommen zu dem Schluss: „Wir haben entdeckt, dass der innere Stress, der durch aktives Zellverhalten hervorgerufen wird, die Form der Flügelscheibe der Drosophila während der Eversion bestimmt. Mithilfe unserer neuen Methode und eines theoretischen Rahmens, der aus formprogrammierbaren Materialien abgeleitet wurde, konnten wir Zellmuster auf jeder Gewebeoberfläche messen. Diese Werkzeuge helfen uns zu verstehen, wie tierisches Gewebe seine Form und Größe in drei Dimensionen verändert.

„Insgesamt lässt unsere Arbeit darauf schließen, dass frühe mechanische Signale dabei helfen, das Verhalten von Zellen zu organisieren, was später zu Veränderungen der Gewebeform führt. Unsere Arbeit veranschaulicht Prinzipien, die breiter genutzt werden könnten, um andere gewebeformende Prozesse besser zu verstehen.“