Neue Forschungsergebnisse zu Fruchtfliegen liefern wichtige Erkenntnisse über die Nährstoffe, die für die Embryonalentwicklung unerlässlich sind

In der Entwicklungsbiologie ist bekannt, dass die Eizelle einer Mutter reichlich Nährstoffe liefert, die für die Entwicklung eines Embryos unerlässlich sind. Aber spielt es eine Rolle, wo im sich entwickelnden Embryo die Nährstoffe gespeichert sind?

In einer Reihe von Artikeln geht Michael Welte, Professor am Fachbereich Biologie der Universität Rochester, auf diese Frage ein, die an der Schnittstelle von Entwicklungsbiologie und Stoffwechsel liegt. Die Studien wurden von Marcus Kilwein geleitet, einem ehemaligen Doktoranden in Weltes Labor, der jetzt Postdoktorand an der Princeton University ist.

Die Trennung von Eiweiß, Fett und Kohlenhydraten

Im ersten Artikel, veröffentlicht in der Zeitschrift EntwicklungWelte und Kilwein untersuchten drei Hauptkategorien von Nährstoffen in Eiern von Drosophila (Fruchtfliegen): Protein, Fett und Kohlenhydrate. Diese drei Nährstoffe sind in Tausenden von mikroskopisch kleinen Speichereinheiten vorhanden, wobei jeder Nährstofftyp getrennt von den anderen verpackt ist. Unmittelbar nach der Befruchtung werden die drei Arten von Nährstoffpaketen in der Eizelle verteilt. Allerdings werden Fett und Eiweiß innerhalb von vier Stunden nach der Befruchtung in verschiedene Zelltypen aufgespalten, während das Schicksal der Kohlenhydrate bisher unbekannt war.

Die Forscher fanden heraus, dass Kohlenhydrate auch vom Fett getrennt werden und in dieselben Zellen gelangen, die Protein aufnehmen. Diese Trennung erfordert, dass sich Fett und Kohlenhydrate unabhängig voneinander bewegen.

Kilwein und Welte entdeckten, dass ein Protein auf Lipidtröpfchen – Speichereinheiten für Energie in Form von Lipiden oder Fetten – notwendig ist, um Fett und Kohlenhydrate voneinander zu trennen. Wenn dieses Protein fehlt, binden sich Fett- und Kohlenhydratpakete aneinander, können sich nicht trennen und landen zusammen mit dem Protein in derselben Zelle. Das Ergebnis ist ein Embryo, der Schwierigkeiten hat, Fett effektiv zu nutzen, was schwerwiegende Folgen für die Entwicklung des Embryos hat.

Fettabscheidung: Ein entscheidender Bestandteil der Embryonalentwicklung

In einem zweiten Artikel, veröffentlicht in der Zeitschrift PLoS-GenetikWelte untersuchte, warum es wichtig ist, Fett von Kohlenhydraten und Proteinen zu trennen.

„Wir haben es vermutet [the segregation of fat] „war wichtig, weil Drosophila-Embryonen mehrere ausgefeilte Mechanismen verwenden, um sicherzustellen, dass das Fett an die richtige Stelle gelangt, einschließlich des Mechanismus, den wir in der ersten Arbeit entdeckt haben“, sagt Welte. „Da diese Trennung wahrscheinlich viel Energie erfordert, dachten wir, dass dies der Fall sein muss.“ spielen eine wichtige Funktion für den Embryo, aber wir wussten nicht, welche das sein könnte.“

Er fand Hinweise darauf, dass die Fettabsonderung nicht nur bei Fliegen auftritt, sondern auch bei anderen Organismen wie Schnecken, Schwämmen und Mäusen vorkommt. Dies deutet darauf hin, dass es sich möglicherweise um ein universelles Phänomen in Organismen handelt und daher auch in menschlichen Embryonen auftritt.

Um die Bedeutung der Nährstoffsegregation besser zu verstehen, haben Welte und sein Team den Segregationsprozess bei Fruchtfliegen gestört und die Folgen beobachtet. Die Forschung zeigte, dass, wenn Fett in den falschen Zellen landet, dies zu erheblichen Veränderungen im Stoffwechsel und zu gestressten Embryonen führt.

Um mit diesem Stress fertig zu werden, entwickeln die Embryonen eine Schutzreaktion, indem sie ihre Genexpression verändern. Ohne diese Reaktion sterben sie, und selbst damit verzögert sich ihre Entwicklung erheblich.

Insgesamt deuten die Ergebnisse darauf hin, dass es für einen sich entwickelnden Embryo nicht nur wichtig ist, ausreichend Fett aus der Eizelle der Mutter zu erhalten; Außerdem ist es wichtig, dass das Fett während der Entwicklung an die richtigen Zellen verteilt wird.

„Der Embryo transportiert das Fett zu den Geweben, die es am meisten benötigen“, sagt Welte. „Der von uns entdeckte Mechanismus ermöglicht es der Mutter, dem Embryo insgesamt weniger Fettvorräte zuzuführen, als wenn das Fett gleichmäßig verteilt wäre, und unterstützt dennoch eine erfolgreiche Embryonalentwicklung. Dadurch kann die Mutter vermutlich mehr Eier legen, weil sie die gleiche Menge verteilen kann.“ von Nährstoffen zwischen mehr Eiern und sorgt so für eine höhere Anzahl von Nachkommen.