Während der Töpfer am Spinnrad arbeitet, hilft ihm die Reibung zwischen seinen Händen und dem weichen Ton dabei, ihn in alle möglichen Formen und Kreationen zu bringen. In einer faszinierenden Parallele nutzen Seescheiden-Oozyten (unreife Eizellen) die Reibung in verschiedenen Kompartimenten in ihrem Inneren, um nach der Empfängnis Entwicklungsveränderungen zu durchlaufen. Eine Studie der Heisenberg-Gruppe am Institute of Science and Technology Austria (ISTA), veröffentlicht in Naturphysikbeschreibt nun, wie das funktioniert.
Das Meer ist voller faszinierender Lebensformen. Von Algen und bunten Fischen bis hin zu Meeresschnecken und Seescheiden offenbart sich unter Wasser eine völlig andere Welt. Insbesondere Seescheiden oder Seescheiden sind sehr ungewöhnlich: Nach einem frei beweglichen Larvenstadium lässt sich die Larve nieder, heftet sich an feste Oberflächen wie Felsen oder Korallen und entwickelt Röhren (Siphons), ihr charakteristisches Merkmal.
Obwohl sie als Erwachsene wie gummiartige Kleckse aussehen, sind sie die engsten Verwandten der Wirbellosen mit dem Menschen. Besonders im Larvenstadium sind Seescheiden uns überraschend ähnlich. Daher werden Ascidien häufig als Modellorganismen verwendet, um die frühe Embryonalentwicklung von Wirbeltieren zu untersuchen, zu denen auch der Mensch gehört.
„Während Ascidien die grundlegenden Entwicklungs- und morphologischen Merkmale von Wirbeltieren aufweisen, weisen sie auch die für Wirbellose typische zelluläre und genomische Einfachheit auf“, erklärt Carl-Philipp Heisenberg, Professor am Institute of Science and Technology Austria (ISTA). „Insbesondere die Ascidian-Larve ist ein ideales Modell, um die frühe Wirbeltierentwicklung zu verstehen.“
Die neueste Arbeit seiner Forschungsgruppe gibt nun neue Einblicke in ihre Entwicklung. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass bei der Befruchtung von Ascidian-Eizellen Reibungskräfte eine entscheidende Rolle bei der Umformung und Neuorganisation ihres Inneren spielen und die nächsten Schritte in ihrer Entwicklungskaskade ankündigen.
Ein Live-Blick ins Innere der Eizellen. Die Forscher markierten das Aktinprotein des Aktomyosin-Cortex (links, grüne Färbung) und des Myoplasmas (rechts, blaue Färbung), um ihre Bewegung nach der Befruchtung der Eizelle sichtbar zu machen. Während sich die Aktomyosin-Kortex im unteren Bereich der Eizelle bewegt, interagiert sie mechanisch mit dem Myoplasma und führt zu dessen Knickung. Die Schnallen lösen sich schließlich in den Kontraktionspol auf. Bildnachweis: Caballero-Mancebo et al./Nature Physics
Entschlüsselung der Eizellentransformation
Eizellen sind weibliche Keimzellen, die an der Fortpflanzung beteiligt sind. Nach erfolgreicher Befruchtung mit männlichen Spermien durchlaufen tierische Eizellen typischerweise eine zytoplasmatische Reorganisation, wodurch sich ihr Zellinhalt und ihre Bestandteile verändern. Dieser Prozess legt den Bauplan für die weitere Entwicklung des Embryos fest. Bei Ascidien beispielsweise führt diese Neuordnung zur Bildung eines glockenartigen Vorsprungs – einer kleinen Beule oder Nasenform –, der als Kontraktionspol (CP) bekannt ist und in dem sich wichtige Materialien sammeln, die die Reifung des Embryos erleichtern. Der zugrunde liegende Mechanismus, der diesen Prozess antreibt, ist jedoch unbekannt.
Die Forscher machten sich daran, dieses Geheimnis zu entschlüsseln. Für dieses Unterfangen importierte die Heisenberg-Gruppe erwachsene Ascidianer von der Roscoff Marine Station in Frankreich. Fast alle Seescheiden sind Hermaphroditen, da sie sowohl männliche als auch weibliche Keimzellen produzieren.
„Im Labor halten wir sie artgerecht in Salzwasserbecken, um Eier und Spermien für die Untersuchung ihrer frühen Embryonalentwicklung zu gewinnen“, sagt Silvia Caballero-Mancebo, Erstautorin dieser Studie und frühere Doktorandin. Student im Heisenberg-Labor.
Bildung des Kontraktionspols. Mikroskopischer Zeitraffer der Veränderungen der Zellform in Ascidian-Eizellen nach der Befruchtung: Von einer unbefruchteten Eizelle über die Initiierung des Kontraktionspols und die Bildung des Kontraktionspols bis hin zur Absorption des Kontraktionspols. Bildnachweis: Caballero-Mancebo et al./Nature Physics
Die Wissenschaftler analysierten befruchtete Ascidian-Eizellen mikroskopisch und stellten fest, dass sie sehr reproduzierbare Veränderungen in der Zellform verfolgten, die zur Bildung des Kontraktionspols führten. Die erste Untersuchung der Forscher konzentrierte sich auf den Actomyosin-(Zell-)Cortex – eine dynamische Struktur, die unter der Zellmembran in tierischen Zellen zu finden ist. Es besteht aus Aktinfilamenten und Motorproteinen und fungiert im Allgemeinen als Treiber für Formänderungen in Zellen.
„Wir haben herausgefunden, dass bei der Befruchtung von Zellen eine erhöhte Spannung in der Aktomyosin-Kortex dazu führt, dass sie sich zusammenzieht, was zu ihrer Bewegung (Fluss) führt, was zu ersten Veränderungen der Zellform führt“, fährt Caballero-Mancebo fort. Der Aktomyosinfluss stoppte jedoch während der Ausdehnung des Kontraktionspols, was darauf hindeutet, dass weitere Akteure für die Beule verantwortlich sind.
Reibungskräfte wirken sich auf die Zellumformung aus
Die Wissenschaftler untersuchten weitere zelluläre Komponenten genauer, die bei der Ausdehnung des Kontraktionspols eine Rolle spielen könnten. Dabei stießen sie auf das Myoplasma, eine Schicht aus intrazellulären Organellen und Molekülen (verwandte Formen, die in vielen Eiern von Wirbeltieren und Wirbellosen vorkommen), die sich im unteren Bereich der Ascidian-Eizelle befindet.
„Diese spezielle Schicht verhält sich wie ein dehnbarer Feststoff – sie verändert während der Befruchtung ihre Form zusammen mit der Eizelle“, erklärt Caballero-Mancebo.
Während des Actomyosin-Cortex-Flusses faltet sich das Myoplasma und bildet aufgrund der zwischen den beiden Komponenten entstehenden Reibungskräfte viele Knicke. Wenn die Bewegung von Actomyosin stoppt, verschwinden auch die Reibungskräfte.
„Dieses Aufhören führt schließlich zur Ausdehnung des Kontraktionspols, wenn sich die multiplen Myoplasma-Knicke in die gut definierte glockenförmige Beule auflösen“, fügt Caballero-Mancebo hinzu.
Die Studie liefert neue Erkenntnisse darüber, wie mechanische Kräfte die Form von Zellen und Organismen bestimmen. Es zeigt, dass Reibungskräfte für die Formung und Bildung eines sich entwickelnden Organismus von entscheidender Bedeutung sind. Wissenschaftler stehen jedoch erst am Anfang des Verständnisses der spezifischen Rolle der Reibung in der Embryonalentwicklung.
Heisenberg fügt hinzu: „Das Myoplasma ist auch sehr faszinierend, da es auch an anderen embryonalen Prozessen von Seescheiden beteiligt ist. Es wird hochinteressant sein, seine ungewöhnlichen Materialeigenschaften zu erforschen und zu verstehen, wie sie bei der Formung von Seescheiden eine Rolle spielen.“
Mehr Informationen:
Reibungskräfte bestimmen die zytoplasmatische Reorganisation und Formveränderungen von Ascidian-Eizellen bei der Befruchtung. Naturphysik (2024). DOI: 10.1038/s41567-023-02302-1