Eine neue Studie zeigt, dass Eizellen von Seescheiden innere Reibung nutzen, um nach der Empfängnis Entwicklungsveränderungen zu durchlaufen, was eine interessante Parallele zu einem Töpfer zieht, der Ton formt. Seescheiden oder Seescheiden dienen als Schlüsselmodelle für das Verständnis der Entwicklung von Wirbeltieren und weisen Ähnlichkeiten mit Menschen auf. Bildnachweis: SciTechDaily.com
Wissenschaftler untersuchen, wie Reibungskräfte die Entwicklung eines Meeresorganismus vorantreiben.
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.
Seescheiden an einem Riff befestigt. Der Meeresorganismus ist ein großartiges Modell für die Untersuchung der Entwicklungsprozesse von Wirbeltieren.
Vielfältiges Meeresleben: Die Welt der Seescheiden
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 Ascidianer häufig als Modellorganismen zur Untersuchung der frühen Embryonalentwicklung verwendet Wirbeltiere zu denen der Mensch gehört. „Während Ascidianer die grundlegenden Entwicklungs- und morphologischen Merkmale von Wirbeltieren aufweisen, weisen sie auch die für sie typische zelluläre und genomische Einfachheit auf Wirbellosen“, erklärt Carl-Philipp Heisenberg, Professor am Institute of Science and Technology Austria (ISTA). „Besonders die Ascidian-Larve ist ein ideales Modell, um die frühe Wirbeltierentwicklung zu verstehen.“
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
Die neueste Arbeit seiner Forschungsgruppe, veröffentlicht in Naturphysik, 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.
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.
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
Eine Gruppe von Wissenschaftlern des ISTA, der Université de Paris Cité, des CNRS, des King’s College London und der Sorbonne Université machte 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 in Salzwassertanks Spezies„Eine geeignete Art und Weise, Eizellen und Spermien für die Untersuchung ihrer frühen Embryonalentwicklung zu gewinnen“, sagt Silvia Caballero-Mancebo, die Erstautorin dieser Studie und ehemalige Doktorandin im Heisenberg-Labor.
Bildung des Kontraktionspols. Mikroskopischer Zeitraffer der Veränderungen der Zellform in Ascidian-Eizellen nach der Befruchtung: Von einer unbefruchteten Eizelle (erstes Bild von links) bis zur Kontraktionspol-Initiierung (2. und 3. Bild von links) und Kontraktionspol-Bildung (4. Bild von links). Bildnachweis: © Caballero-Mancebo et al./Naturphysik
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.
Silvia Caballero-Mancebo. Die ISTA-Absolventin hat große Freude daran, die Rätsel der Natur zu lösen und sie in Erzählungen zu verwandeln. Bildnachweis: © Nadine Poncioni/ISTA
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 davon kommen in vielen Eiern von Wirbeltieren und Wirbellosen vor), 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.
Carl-Philipp Heisenberg am Institute of Science and Technology Austria (ISTA). Die Forschungsgruppe des Zellbiologen am ISTA untersucht Seescheiden und Zebrafische und versucht zu verstehen, wie sich unstrukturierte Zellhaufen während ihrer Entwicklung in kunstvolle Formen verwandeln. Bildnachweis: © Nadine Poncioni/ISTA
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 Ascidien beteiligt ist.“ Es wird hochinteressant sein, seine ungewöhnlichen Materialeigenschaften zu erforschen und zu verstehen, welche Rolle sie bei der Formung von Seescheiden spielen.“
Referenz: „Reibungskräfte bestimmen die zytoplasmatische Reorganisation und Formänderungen von Ascidian-Oozyten bei der Befruchtung“ von Silvia Caballero-Mancebo, Rushikesh Shinde, Madison Bolger-Munro, Matilda Peruzzo, Gregory Szep, Irene Steccari, David Labrousse-Arias, Vanessa Zheden, Jack Merrin , Andrew Callan-Jones, Raphaël Voituriez und Carl-Philipp Heisenberg, 9. Januar 2024, Naturphysik.
DOI: 10.1038/s41567-023-02302-1