Die meisten Zellen im Körper von Lebewesen duplizieren ihren Inhalt und trennen sich durch den Prozess der Zellteilung physisch in neue Zellen. Aber bei vielen Arten trennen sich Keimzellen, die zu Eiern oder Spermien werden, nicht vollständig. Sie bleiben durch kleine Brücken, die Ringkanäle genannt werden, miteinander verbunden und gruppieren sich.
In einer neuen Studie decken Yale-Forscher erstmals auf, wie Keimzellen in Fruchtfliegen diese Ringkanäle bilden, ein Befund, von dem sie sagen, dass er neue Einblicke in ein weit verbreitetes Merkmal der Entwicklung und in Krankheiten liefern wird, bei denen Zellteilung stattfindet gestört.
Die Ergebnisse wurden am 9. März veröffentlicht Entwicklungszelle.
Wissenschaftler haben Ringkanäle in männlichen und weiblichen Keimzellen aller Arten beobachtet, von einfacheren Organismen wie Schwämmen und Fruchtfliegen bis hin zu komplexeren Tieren wie Mäusen und Menschen. Und obwohl ihr Zweck nicht vollständig verstanden wird, gibt es Hinweise darauf, dass Ringkanäle wichtig für die Zellentwicklung sind, sagen die Forscher.
„Zum Beispiel sind bei weiblichen Fruchtfliegen Ringkanäle erforderlich, um eine funktionsfähige Oozyte, eine sich entwickelnde Eizelle, zu züchten“, sagte Lynn Cooley, CNH-Long-Professorin für Genetik an der Yale School of Medicine und leitende Autorin der neuen Studie. „Wenn Sie Ringkanäle blockieren, bilden weibliche Fliegen winzige, kleine Eier und können sich nicht vermehren.“
Doch wie sich Ringkanäle bilden, ist unklar geblieben.
Um ihre Entstehung besser zu verstehen, verwendeten die Forscher einen Live-Imaging-Ansatz. Sie markierten mehrere Ringkanalproteine in Fruchtfliegen mit fluoreszierenden Molekülen und beobachteten mit einem Mikroskop, was diese Proteine im Laufe der Zeit in den Keimzellen von Männchen und Weibchen taten.
„Als wir dies taten, sahen wir die ersten Anzeichen einer Struktur, die wir den Keimbahn-Mittelkörper nennen“, sagte Kari Price, Postdoktorand in Cooleys Labor und Hauptautor der Studie.
Der Mittelkörper ist eine Struktur, die sich während der Zellteilung bildet, und eine seiner Aufgaben besteht darin, die Moleküle zu rekrutieren, die benötigt werden, um Zellen am Ende des Prozesses zu trennen. In der Studie fanden die Forscher heraus, dass sich in Keimzellen von Fruchtfliegen ein ungewöhnlich großer Mittelkörper bildete, der etwa 20 bis 30 Minuten lang dort blieb und dann, anstatt eine vollständige Trennung einzuleiten, eine dramatische Umformung von einer Kugel in einen Ring durchlief. Diese Mittelkörperringe wurden dann zu stabilen Ringkanälen, die die Geschwisterzellen verbanden.
Die Forscher fanden diesen Übergang vom Mittelkörper zum Ringkanal auch bei Süßwasserpolypen und Mäusen, was darauf hindeutet, dass es sich um ein Merkmal handelt, das im Laufe der Evolution erhalten geblieben ist.
„Zu sehen, wie sich dieses feste, kleine Objekt in einen Ring verwandelt – das war zuvor noch nie in intakten lebenden Zellen beobachtet worden. Es war für uns sehr beeindruckend; es war ein ‚A-ha-Moment‘“, sagte Cooley. „Und es wäre schwierig gewesen, dies in etwas anderem als Fruchtfliegen zu entdecken. Diese Studie ist ein großartiges Beispiel dafür, wie wichtig Modellsysteme wie Fruchtfliegen für das Verständnis grundlegender Entwicklungsmechanismen sind.“
Die neue Entdeckung ist nicht nur ein wichtiger Schritt zum Verständnis der Funktion und Bildung von Ringkanälen, so die Forscher, sie könnte auch Einblicke in die unvollständige Zellteilung geben, die bei der typischen Entwicklung einer Vielzahl von Arten auftritt, und in Krankheiten, bei denen eine unvollständige Zellteilung vorliegt beteiligt, wie Darmkrebs, Hodgkin-Lymphom und einige Immunschwächesyndrome.
Die Ergebnisse könnten Wissenschaftlern auch helfen, die Anfänge der Evolution zu verstehen.
„Es gibt sehr primitive Kreaturen, die, wenn sie sich teilen, Kolonien bilden, die mit beständigen Zellbrücken verbunden sind, ähnlich wie wir es bei Keimzellen sehen“, sagte Cooley. „Vielleicht ist diese Art, Geschwisterzellen in einer Kolonie oder einem Cluster verbunden zu halten, der Beginn der mehrzelligen Evolution, und vielleicht spiegeln Keimzellen das wider.“
In Zukunft wollen die Forscher die Mechanismen identifizieren, die Keimzellen dazu bringen, verbunden zu bleiben.
„In dieser aktuellen Studie haben wir gesehen, dass die Blockierung eines Enzyms namens Citron-Kinase den Übergang vom Mittelkörper zum Ringkanal verzögert oder verhindert“, sagte Price. „Also schauen wir uns die Citron-Kinase genauer an, um zu sehen, was genau sie in diesen Zellen während der Teilung macht.“
Mehr Informationen:
Kari L. Price et al., Der evolutionär konservierte Mittelkörperumbau geht der Ringkanalbildung während der Gametogenese voraus, Entwicklungszelle (2023). DOI: 10.1016/j.devcel.2023.02.008