Eine unsichtbare Kraft beginnt das Leben

Wissenschaftler untersuchen, wie Reibungskräfte die Evolution von Meeresorganismen vorantreiben.

Wenn ein Töpfer an einem 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 marine Oozyten (unreife Eizellen) die Reibung innerhalb verschiedener Kompartimente in sich selbst, um nach der Empfängnis Entwicklungsveränderungen zu durchlaufen. Eine von Heisenbergs Gruppe am Institut für Wissenschaft und Technologie in Österreich (ISTA) durchgeführte Studie, veröffentlicht in Naturphysikbeschreibt nun, wie das funktioniert.

An Korallenriffen befestigte Seescheiden. Der Meeresorganismus ist ein hervorragendes Modell zur Untersuchung der Entwicklungsprozesse von Wirbeltieren.

Vielfältiges Meeresleben: die Welt der Seescheiden

Das Meer ist voller wunderbarer Lebensformen. Von Algen und bunten Fischen bis hin zu Meeresschnecken und Seescheiden offenbart sich unter Wasser eine ganz andere Welt. Seescheiden, insbesondere Seescheiden, sind sehr ungewöhnlich: Nach dem frei beweglichen Larvenstadium siedeln sich die Larven an harten Oberflächen wie Felsen oder Korallen an und bilden Röhren (Siphons), die ihr charakteristisches Merkmal sind. Obwohl sie als Erwachsene wie Gummikleckse aussehen, sind sie die nächsten wirbellosen Verwandten des Menschen. Besonders in ihren Larvenstadien sind Seescheiden uns überraschend ähnlich.

Daher werden Asketen häufig als Modellorganismen zur Untersuchung der frühen Embryonalentwicklung eingesetzt Wirbeltiere Zu denen der Mensch gehört. „Während Ascidien grundlegende Entwicklungs- und morphologische Merkmale von Wirbeltieren aufweisen, weisen sie auch die für Wirbeltiere typische zelluläre und genomische Einfachheit auf.“ Wirbellosen„Insbesondere die Ascidian-Larve ist ein ideales Modell, um die frühe Wirbeltierentwicklung zu verstehen“, erklärt Carl Philipp Heisenberg, Professor am Institute of Science and Technology Austria (ISTA).

Die Forscher markierten das Aktinprotein im Aktomyosin-Cortex (links, grüne Färbung) und im Myoplasma (rechts, blaue Färbung), um ihre Bewegung nach der Befruchtung der Eizelle zu visualisieren. Wenn sich die Actomyosin-Hülle im unteren Bereich der Eizelle bewegt, interagiert sie mechanisch mit dem Myoplasma und führt zu dessen Knickung. Die Schnallen lösen sich schließlich im Kontraktionspol auf. Bildnachweis: © Caballero-Mancebo et al./Nature Physics

Die neueste Arbeit seiner Forschungsgruppe, veröffentlicht in Naturphysik, liefert nun neue Einblicke in seine Entwicklung. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass bei der Befruchtung asketischer Eier Reibungskräfte eine entscheidende Rolle bei der Umgestaltung und Neuorganisation ihres Inneren spielen und die nächsten Schritte in ihrer Entwicklungskaskade ankündigen.

Entschlüsselung der Eimetamorphose

Eizellen sind weibliche Keimzellen, die an der Fortpflanzung beteiligt sind. Nach erfolgreicher Befruchtung durch männliche Spermien durchlaufen tierische Eizellen typischerweise eine zytoplasmatische Reorganisation, wodurch sich ihr Zellinhalt und ihre Bestandteile verändern. Dieser Prozess legt einen Plan für die spätere Entwicklung des Fötus fest. Im Fall von Asketen führt diese Veränderung beispielsweise zur Bildung einer glockenartigen Ausstülpung – einer kleinen Ausstülpung oder Nasenform –, die als Kontraktionspol (CP) bezeichnet wird und in der sich essentielle Substanzen ansammeln, die die Reifung des Fötus erleichtern. Der zugrunde liegende Mechanismus, der diesen Prozess antreibt, ist jedoch unbekannt.

Bildung eines Kontraktionspols. Mikroskopischer Zeitraffer der Veränderungen der Zellform in xenotransplantierten Eizellen nach der Befruchtung: von der unbefruchteten Eizelle über die Initiierung des Kontraktionspols und die Bildung des Kontraktionspols bis hin zur Reabsorption des Kontraktionspols. Bildnachweis: ©Caballero-Mancebo et al./Nature Physics

Eine Gruppe von Wissenschaftlern des ISTA, der Paris City University, des CNRS, des King's College London und der Sorbonne machte sich daran, dieses Rätsel zu lösen. Für dieses Unterfangen importierte die Heisenberg-Gruppe ausgewachsene Ascidianer vom Roscoff Marine Terminal in Frankreich. Fast alle Seescheiden sind Hermaphroditen, da sie sowohl männliche als auch weibliche Keimzellen produzieren. „Im Labor halten wir sie in Salzwassertanks Klassifizieren„Eine bequeme Möglichkeit, Eizellen und Spermien zu gewinnen, um ihre frühe Embryonalentwicklung zu untersuchen“, sagt Silvia Caballero Mancebo, Erstautorin dieser Studie und ehemalige Doktorandin in Heisenbergs Labor.

Bildung eines Kontraktionspols. Mikroskopischer Zeitraffer der Veränderungen der Zellform in asketischen Eizellen nach der Befruchtung: von einer unbefruchteten Eizelle (erstes Bild von links) bis zur Kontraktionspol-Initiierung (zweites und drittes Bild von links) und Kontraktionspol-Bildung (viertes Bild von links). Bildnachweis: © Caballero-Mancebo et al./Naturphysik

Die Wissenschaftler analysierten die befruchteten asketischen Eier mikroskopisch und stellten fest, dass sie hoch reproduzierbare Veränderungen in der Zellform verfolgten, die zur Bildung des kontraktilen Pols 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 Motor für Formänderungen in Zellen.

„Wir haben herausgefunden, dass bei der Befruchtung von Zellen eine erhöhte Spannung im Actomyosin-Cortex dazu führt, dass sie sich zusammenziehen, was ihre Bewegung (Fluss) auslöst, was zu ersten Veränderungen der Zellform führt“, fährt Caballero-Mancebo fort. Allerdings hörte der Aktomyosinfluss während der Kontraktionspolexpansion auf, was darauf hindeutet, dass es weitere Akteure gibt, die für die Protrusion verantwortlich sind.

Silvia Caballero Mancebo. Der ISTA-Absolvent hat große Freude daran, die Rätsel der Natur zu lösen und daraus Romane zu machen. Bildnachweis: © Nadine Boncioni/ISTA

Reibungskräfte beeinflussen den Zellumbau

Die Wissenschaftler haben sich andere zelluläre Komponenten genauer angesehen, die bei der Kontraktionspolausdehnung eine Rolle spielen könnten. Dabei stießen sie auf das Myoplasma, eine Schicht aus Organellen und intrazellulären Molekülen (verwandte Formen davon kommen in vielen Eiern von Wirbeltieren und Wirbellosen vor), die sich im unteren Bereich der asketischen Eizelle befindet. „Diese spezielle Schicht verhält sich wie ein festes, dehnbares Material, sie verändert während der Befruchtung ihre Form mit der Eizelle“, erklärt Caballero-Mancebo.

Carl Philipp Heisenberg am Institut für Wissenschaft und Technologie in Österreich (ISTA). Die Forschungsgruppe der Zellbiologen am ISTA untersucht Seescheiden und Zebrafische und versucht zu verstehen, wie sich unorganisierte Zellgruppen im Laufe ihrer Entwicklung in kunstvolle Formen verwandeln. Bildnachweis: © Nadine Boncioni/ISTA

Während des Fließens der Aktomyosinhülle faltet sich das Myoplasma aufgrund der zwischen den beiden Komponenten bestehenden Reibungskräfte und bildet zahlreiche Knicke. Wenn die Bewegung von Actomyosin stoppt, verschwinden auch die Reibungskräfte. „Dieser Stillstand führt schließlich zur Ausdehnung des Kontraktionspols, da sich mehrere myoplasmatische Wölbungen in einen klar definierten glockenförmigen Vorsprung 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 eine entscheidende Rolle bei der Entstehung und Entstehung eines sich entwickelnden Organismus spielen. Allerdings beginnen Wissenschaftler gerade erst, die spezifische Rolle der Reibung in der Embryonalentwicklung zu verstehen. „Das Myoplasma ist auch deshalb interessant, weil es auch an anderen embryonalen Prozessen in Asketen beteiligt ist“, fügt Heisenberg hinzu. „Es wird sehr interessant sein, seine ungewöhnlichen physikalischen Eigenschaften zu erforschen und zu verstehen, welche Rolle es bei der Bildung von Seescheiden spielt.“

Referenz: „Reibungskräfte bestimmen die zytoplasmatische Reorganisation und Formänderungen von Eizellen bei der Befruchtung“ von Sylvia Caballero-Mancebo, Rushikesh Shinde, Madison Bolger-Munroe, Matilda Perozzo, Gregory Zipp, Irene Stikari, David LaBrosse-Arias, Vanessa Zaiden, Jack Mirren, Andrew Callan Jones, Rafael Voitoris und Carl Philipp Heisenberg, 9. Januar 2024, Naturphysik.
doi: 10.1038/s41567-023-02302-1