Die Entwicklung des Lebens hat einen Rhythmus. Das Wachstum von einem winzigen Zellhaufen zu einem erwachsenen Organismus erfordert präzises Timing und Kontrolle. Die richtigen Gene müssen zur richtigen Zeit, für die richtige Dauer und in der richtigen Reihenfolge aktiviert werden. Ein Rhythmusverlust kann zu Krankheiten wie Krebs führen. Was hält also jedes Gen auf Trab?
Professor Christopher Hammell vom Cold Spring Harbor Laboratory (CSHL) hat das im Wurm herausgefunden C. elegans, dieses genetische Orchester hat keinen einzigen Dirigenten. Stattdessen arbeitet ein Quartett von Molekülen zusammen, um jedes Entwicklungsstadium zeitlich zu steuern. Laut Hammell weist dieser Prozess einige Ähnlichkeiten mit den zirkadianen Uhren auf, die das menschliche Verhalten steuern. Das Verständnis, wie die Uhr des Wurms reguliert wird, könnte helfen zu erklären, wie sich die Zeit auf die Entwicklung anderer Tiere auswirkt. Hammell erklärt:
„Diese Uhr, die wir entdeckt haben, bestimmt den Rhythmus der Entwicklung. Sie ist ein Koordinator des Orchesters. Sie steuert, wann die Posaune spielt, wie laut sie wird und wie lange die Note dauert.“
Jede Stufe von C. elegansDie Entwicklung beginnt mit zwei Proteinen, NHR-85 und NHR-23. Sie arbeiten zusammen, um einen Impuls der Genexpression auszulösen und die microRNA einzuschalten lin-4, das die Entwicklungsmuster von Stammzellen steuert. Der Zeitpunkt, die Stärke und die Dauer des Impulses hängen von der kurzen Strecke ab, in der NHR-85 und NHR-23 interagieren, und von einem anderen Protein, LIN-42das jede Entwicklungsperiode durch Abschalten von NHR-85 beendet.
„Mach das Orchester kaputt – es macht immer noch Geräusche“, sagt Hammell. „Aber die Art und Weise, wie sich die Musik verändert, zeigt uns, dass das richtige Timing für die Entwicklung entscheidend ist.“
Hammell arbeitete mit Wolfgang Keil vom Pariser Curie-Institut zusammen, um diesen Genexpressionszyklus in Aktion zu beobachten. C. elegans Es dauert etwa 50 Stunden, bis es das Erwachsenenalter erreicht. Während dieser Zeit ist es ständig in Bewegung, wie ein unruhiger Teenager. Das Team entwickelte eine neue Bildgebungstechnik, um den winzigen Wurm lange genug an Ort und Stelle zu halten, um Bilder und Videos aufzunehmen. Dadurch konnten sie jeden Entwicklungsschlag messen, während er auftrat.
„Wir konnten sehen, wann sich Gene von der Geburt bis zum Erwachsenenalter anschalteten“, sagt Hammell. „Diese Art der Bildgebung wurde noch nie bei Tieren durchgeführt, sondern nur in einzelnen Zellen.“
Hammell arbeitet jetzt mit CSHL-Professor und HHMI-Forscher Leemor Joshua-Tor zusammen, um herauszufinden, wie Uhrenproteine im Laufe der Zeit interagieren.
„Wir wollen noch genauer herausfinden, wie diese Uhr funktioniert“, sagt Hammell. „Menschen können Dinge wie das Schreiben von Musik oder das Rechnen ausführen, nicht weil wir ein Gen für Analysis oder Musik haben, sondern weil unsere Entwicklungsuhren es unserem Gehirn ermöglichen, sich über einen längeren Zeitraum zu einem komplexeren Organ zu entwickeln.“
Mit anderen Worten: Wenn es um die Entwicklung geht, ist Zeit wirklich von entscheidender Bedeutung.
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Brian Kinney et al., Ein zirkadianähnliches Gennetzwerk programmiert den Zeitpunkt und die Dosierung der heterochronen miRNA-Transkription während der Entwicklung von C. elegans, Entwicklungszelle (2023). DOI: 10.1016/j.devcel.2023.08.006