Wie Mausembryos links von rechts bestimmen

RIKEN-Biologen haben entdeckt, wie winzige Härchen in Embryonen fließende Flüssigkeit erkennen, was letztendlich dazu führt, dass sich auf der linken und rechten Seite des Embryos Unterschiede entwickeln. Dieser Befund löst nicht nur eine langjährige Debatte, sondern wird auch die Erforschung von Störungen informieren, die entstehen, wenn dieser Prozess nicht funktioniert.

Von außen betrachtet erscheinen die linke und rechte Körperseite von Wirbeltieren normalerweise nicht zu unterscheiden. Im Inneren sieht die Situation jedoch ganz anders aus, da viele Organe wie Herz, Leber und Milz entweder links oder rechts von der zentralen Links-Rechts-Achse liegen.

Im Gegensatz dazu beginnen Embryonen als symmetrische Zellbündel. Forscher interessieren sich seit langem dafür, wie sich Unterschiede zwischen der linken und rechten Seite bei Embryonen entwickeln.

Winzige Härchen oder Zilien in einem Mausembryo kreisen im Uhrzeigersinn und erzeugen einen nach links gerichteten Fluss in der umgebenden Flüssigkeit. Dieser Flüssigkeitsstrom wird dann von statischen Zilien, sogenannten unbeweglichen Zilien, aufgenommen, die sich links und rechts von den sich bewegenden Zilien befinden. Diese Erkennung von Flüssigkeitsbewegungen führt dazu, dass sich die linke und die rechte Seite des Embryos unterschiedlich entwickeln.

Es wird jedoch diskutiert, wie die unbeweglichen Zilien den Flüssigkeitsfluss wahrnehmen. Zwei Mechanismen wurden vorgeschlagen: Einer, bei dem die Bewegung durch Chemikalien in der Strömung erkannt wird, und ein anderer, bei dem sie über die mechanische Kraft erkannt wird. Aber niemand hatte bis jetzt experimentell gezeigt, welches richtig ist.

Hiroshi Hamada und Takanobu Katoh vom RIKEN Center for Biosystems Dynamics Research und Mitarbeiter haben diese Debatte beendet, indem sie zeigten, dass die Zilien in Mäuseembryos die Bewegung mechanisch erkennen.

Unter Verwendung von Mikroperlen, die in einem Laserstrahl eingeschlossen waren, manipulierte das Team ein einzelnes Zilium und beobachtete ein Signal, das Kalziumionen beinhaltete. Dies zeigte, dass ein mechanischer Stimulus von nur einem Cilium eine Links-Rechts-Asymmetrie in Embryonen bestimmen kann.

Mithilfe fortschrittlicher Mikroskopietechniken fanden sie auch heraus, dass linke und rechte Zilien in entgegengesetzte Richtungen gebogen sind. Darüber hinaus entdeckten sie, dass die Zilien die Biegerichtung wahrnehmen, weil Kanäle in ihnen nicht symmetrisch verteilt sind. Folglich werden Kalziumsignale nur dann ausgelöst, wenn Flüssigkeit in eine Richtung auf sie trifft, was erklärt, warum nur Zilien auf der linken Seite eines Embryos aktiviert werden.

„Unsere Forschung hat endlich eine der wichtigsten Fragen für die Links-Rechts-Bestimmung beantwortet, nämlich warum der linksgerichtete Knotenfluss nur die linke Seite aktiviert“, sagt Katoh, Erstautor der in veröffentlichten Studie Wissenschaft. „Dies ist ein wichtiger Schritt zum Verständnis des Mechanismus der Links-Rechts-Entscheidung.“

Diese Erkenntnisse könnten praktische Anwendungen haben. „Unsere Ergebnisse liefern nützliche Informationen für Studien darüber, wie sich Organe bilden“, sagt Katoh. „Sie könnten auch hilfreich sein, um Wege zur Behandlung von Zilienerkrankungen zu finden.“