Wie Keimzellen die Nabelschnur von ihren Eltern abschneiden

Damit sich aus der ersten Zelle ein ganzer Organismus entwickelt, müssen Gene, RNA-Moleküle und Proteine ​​auf komplexe Weise zusammenarbeiten. Dieser Vorgang wird zunächst indirekt von der Mutter gesteuert. Zu einem bestimmten Zeitpunkt sorgt das Protein GRIF-1 dafür, dass sich die Nachkommen von diesem Einfluss abkoppeln und ihre eigene Entwicklung beginnen. Wie das funktioniert, erläutert ein Forscherteam der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) in der Zeitschrift Wissenschaftliche Fortschritte.

Wenn sich ein neuer Organismus zu entwickeln beginnt, hat die Mutter das Sagen. Bei der Befruchtung verschmelzen Eizelle und Samenzelle zu einer einzigen neuen Zelle. Der Ablauf der Zellteilung und damit die Entstehung eines neuen Lebewesens wird jedoch zunächst von der Mutterzelle bestimmt.

„Unabhängig vom Organismus wird die Zellteilung zunächst von der Mutter vorprogrammiert“, erklärt der Genetiker Professor Christian Eckmann von der MLU. Die Mutterzelle liefert ein Starterset für die Entwicklung, das neben den ersten Proteinen auch die RNA-Moleküle enthält, die als Bauplan für weitere Proteine ​​dienen. All dies ist notwendig, um die Zellteilung und die Entwicklung eines Organismus anzukurbeln.

Zellen haben in dieser Anfangsphase keinen Zugang zu ihrem eigenen Erbgut, was ihre eigene Entwicklung einschränkt. „So wichtig dieser mütterliche Beitrag für den neuen Organismus ist, ab einem bestimmten Punkt müssen diese Bestandteile entfernt werden. Erst dann kann er sein eigenes Erbgut voll ausschöpfen und seine eigene Entwicklung fortsetzen“, sagt Eckmann.

Dieser Prozess beginnt in den Keimzellen, den Vorläufern der Gameten, viel später als in den somatischen Zellen, aus denen sich alle anderen Körperzellen entwickeln. „Zellen haben viele Möglichkeiten, Dinge abzutöten. Langlebigkeit muss man sich verdienen“, sagt Eckmann. So genannte Poly-A-Polymerasen geben in Keimzellvorläufern den kurzlebigen RNA-Molekülen der Mutter eine Art Schutzkappe, damit sie länger leben.

In Experimenten mit dem Modellorganismus C. elegans entdeckte Eckmanns Team, wie der Prozess des Schnurschneidens auf molekularer Ebene in Keimzellen funktioniert. Ab einem bestimmten Stadium beginnen die Zellen mit der Produktion des Proteins GRIF-1. Die Anweisungen für diesen Vorgang stammen von der mütterlichen RNA. Sobald das Protein aufgebaut ist, macht es sich auf die Suche nach den mütterlichen Poly-A-Polymerasen, bindet an sie und befestigt daran eine Art Marker. „Das ist wie eine Fahne, mit der GRIF-1 markiert, welche mütterlichen Proteine ​​abgebaut werden sollen“, sagt Eckmann.

Das löst eine Kettenreaktion aus: Sind die Poly-A-Polymerasen einmal zerstört, können sie keine neuen Schutzkappen mehr an mütterliche RNA-Moleküle anbringen, die sie vor Abbau schützen würden, und so können keine neuen mütterlichen Proteine ​​mehr aufgebaut werden. „Am Ende werden alle mütterlichen RNA-Moleküle und Proteine ​​eliminiert. Die Keimzelle erhält vollen Zugriff auf ihr Erbgut und kann sich eigenständig weiterentwickeln“, schließt Eckmann. Unklar bleibt, woher die Zelle weiß, dass sie GRIF-1 produzieren und ihr eigenes Erbgut aktivieren muss.

Dieser lange mütterliche Kontrollprozess hat übrigens einen Grund: Das Erbgut in den Keimzellen wird über das Sperma oder die Eizelle an die Nachkommen weitergegeben. Sie muss daher möglichst vollständig und fehlerfrei erhalten bleiben. Diesen Abbauprozess haben Eckmanns Forscher im Labor bei C. elegans künstlich verhindert. „Eine Störung dieses Prozesses verursacht viele Probleme. Die Keimbahn kann sich nicht robust entwickeln und die Nachkommen der Würmer werden mit jeder Generation unfruchtbarer“, sagt Eckmann.