Forschungsbericht 2011 - Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie

Keimzellmigration: Auch Zellen brauchen Wanderführer

Autoren
Renault, Andrew
Abteilungen
Research Group Extracellular Lipid Signaling in Drosophila Development
Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie, Tübingen
Zusammenfassung
Wie kann aus einer Zelle ein mehrzelliger Embryo entstehen? Wie werden Teilung, Differenzierung und Wanderung (Migration) von Zellen exakt koordiniert? An der Embryonalentwicklung der Fruchtfliege Drosophila melanogaster lässt sich die Migration von Zellen in idealer Weise untersuchen. Die Arbeitsgruppe beschäftigt sich im Besonderen mit der Migration von Keimzellen, den Vorläufern von Ei- und Samenzellen. Dieser Bericht zeigt, welche Rolle Lipide dabei spielen, das Überleben und die Wanderung von Keimzellen zu regulieren und welche biologischen Prinzipien dabei wirksam werden.

Fruchtfliegen und Entwicklungsbiologie

Seit den 1980er Jahren, als Christiane Nüsslein-Volhard und Eric Wieschaus ihre bahnbrechenden genetischen Untersuchungen veröffentlichten, ist die Fruchtfliege das Arbeitspferd der Entwicklungsbiologie (Abb. 1; [1]). Mit ihrer Hilfe wurden und werden grundlegende biologische Prinzipien entdeckt und wichtige molekulare Signalwege identifiziert. Das Geheimnis des Erfolgs von Drosophila liegt in ihrer einfachen, im Labor gut zu manipulierenden Genetik, ihrer kurzen Generationszeit von weniger als zwei Wochen und der Möglichkeit, ihre Embryonalentwicklung zu beobachten. Jedes Weibchen legt Dutzende von Eiern, die sich außerhalb ihres Körpers entwickeln.

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Drosophila: ausgewachsenes Männchen (links) und Weibchen (rechts).

Innerhalb von nur einem Tag entwickelt sich der Embryo zur Larve. In einem hochgradig reproduzierbaren und geordneten Prozess entstehen dabei aus einer einzigen Zelle viele tausende. Wenn der Embryo schlüpft, besitzt er viele komplexe Organe wie etwa ein Nervensystem, einen Verdauungstrakt, Gewebe für den Gasaustausch, Muskeln und ein offenes Kreislaufsystem. Am Fruchtfliegenembryo lässt sich daher in idealer Weise untersuchen, wie Zellen wandern und sich spezialisieren, um Gewebe und Organe zu bilden, und welche Gene diese Prozesse steuern.

Die Migration der Keimzellen

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Keimzellen stellen in gewisser Weise eine unsterbliche Zelllinie dar und verbinden die Generationen.

Keimzellen sind diejenigen Zellen, aus denen die Ei- und Samenzellen des erwachsenen Tieres entstehen. In gewisser Weise stellen Keimzellen also eine unsterbliche Zelllinie dar, die eine Generation mit der nächsten verbindet (Abb. 2). Bei vielen Organismen entstehen die Keimzellen bereits zu einem frühen Zeitpunkt während der Embryogenese [2]. Zellen, die die somatischen Anteile der Keimdrüsen bilden, entstehen dagegen erst später und an einer anderen Stelle des Embryos. Die Keimzellen müssen daher innerhalb des Embryos wandern, um ihre somatischen Gegenstücke zu finden und sich mit ihnen zu assoziieren.

Keimzellen beginnen ihre Reise nach Abschluss der Gastrulation, einer Abfolge somatischer Zellbewegungen, an deren Ende ein Embryo mit mehreren Zellschichten steht. Zunächst liegen sie noch als dicht gedrängter Zusammenschluss von rund 30 Zellen in der Mitteldarmtasche des Embryos (Abb. 3). Nach der Gastrulation beginnen sie schnell, sich zu vereinzeln und sich in alle Richtungen zu verteilen. Als einzelne Zellen bewegen sie sich zwischen den Mitteldarmzellen hindurch und in das darüberliegende Mesoderm hinein. Dabei spalten sie sich in zwei Gruppen auf, die den Keimdrüsen des Embryos entsprechen: Jede Gruppe findet sich später in einem Eierstock oder einem Hoden des erwachsenen weiblichen oder männlichen Tieres wieder. Im Mesoderm entstehen auch die somatischen Zellen der Keimdrüsen. Sobald die Keimzellen auf ihre somatischen Partner treffen, endet ihre Wanderung, und sie bleiben während der gesamten weiteren Entwicklung mit diesen Zellen assoziiert. Bei erwachsenen Tieren bilden die Keimzellen einen sich stetig teilenden Stammzellpool. Durch die Teilungen wird zum einen der Pool erneuert, zum anderen werden Ei- und Samenzellen in nahezu unbegrenzter Menge zur Verfügung gestellt.

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Wandernde Keimzellen in Drosophila-Embryos unterschiedlichen Alters. Die Keimzellen liegen zunächst als cluster im Mitteldarm (oben), verteilen sich dann aber rasch und wandern als einzelne Zellen (Mitte). Unten: die Zellen bewegen sich seitwärts und assoziieren mit den somatischen Zellen der beiden embryonalen Keimdrüsen.

Gene, die das Verhalten der Keimzellen steuern

Mithilfe genetischer screens wurden einige Gene identifiziert, die auf das Verhalten der Keimzellen während ihrer Wanderung einwirken. Zwei wichtige Gene, die dabei entdeckt wurden, sind wunen und das verwandte, benachbart liegende Gen wunen2 [3, 4], die gemeinsam als wunens bezeichnet werden. Benannt nach einer eigensinnigen Figur aus dem klassischen chinesischen Roman „Die Reise nach Westen“, sind diese Gene dafür verantwortlich, die wandernden Keimzellen auf Kurs zu halten. Sie werden in einigen somatischen Geweben exprimiert und halten die Keimzellen davon ab, in diese Gewebe einzuwandern. Sie beeinflussen aber nicht nur, wohin diese Zellen sich bewegen, sondern regulieren auch ihr Überleben: Wird eines der beiden Gene während der Embryonalentwicklung überexprimiert, sterben die Keimzellen während der Migration ab. Die Zellen werden also durch das Zusammenwirken zweier Mechanismen auf ihrem Pfad gehalten: i.) abstoßen von peripheren Geweben und ii.) Elimination, wenn sie in einen Bereich hoher wunen-Expression vordringen.

Die wunen-Gene werden nicht nur in bestimmten somatischen Geweben exprimiert, sondern auch in den Keimzellen selbst. Überraschend war die Entdeckung, dass die Keimbahn-Expression von wunen notwendig ist, um die Zellen auf ihrer Wanderung am Leben zu erhalten [5, 6]. Dieselben Gene, die bei somatischer Expression zum Absterben von Keimbahnzellen beitragen, fördern also deren Überleben, wenn sie in den Keimbahnzellen selbst aktiv sind. Was passiert, wenn man die wunens in den Zellen der Keimbahn und in somatischen Zellen gleichzeitig ausschaltet? Wir fanden, dass sich in diesem Fall die Keimzellen erst gar nicht auf Wanderschaft begeben, sondern eng miteinander verbunden in der Mitteldarmtasche bleiben [7]. Eine Vereinzelung der Keimzellen zu Beginn der Migration findet nicht statt. Wenn man bedenkt, dass somatische wunen-exprimierende Zellen die Keimzellen abstoßen: Könnte es dann sein, dass die wunens der Keimzellen dazu dienen, die Zellen selbst auseinander zu drängen und so die anfängliche Vereinzelung herbeizuführen?

Direkte Beweise hierfür zu finden, ist schwierig. Denkbar wäre, die Verteilung der Keimzellen auf die Keimdrüsen als Indikator zu verwenden; sie könnte Hinweise auf eine mögliche gegenseitige Abstoßung der Keimzellen geben. In Wildtyp-Embryos verteilen sich die Keimzellen immer gleichmäßig auf beide Keimdrüsen (Abb. 3; [7]). Fehlen den Keimzellen jedoch die wunen-Gene, dann versammeln sich die wenigen Zellen, die überleben und die Keimdrüsen erreichen, bevorzugt in einer Keimdrüse. Die wunen-vermittelte Abstoßung der Keimzellen untereinander ist demnach tatsächlich notwendig, damit sich die Zellen gleich zu Beginn der Migration vereinzeln und gleichmäßig auf die beiden embryonalen Keimdrüsen verteilen. Möglicherweise optimiert diese Verteilungsfunktion das reproduktive Potenzial der Tiere, indem sie dafür sorgt, dass beide Keimdrüsen so dicht wie möglich mit Keimzellen besiedelt sind.

Lipide und Keimzellen

Was aber ereignet sich auf der molekularen Ebene? Beide wunen-Gene kodieren Lipidphosphat-Phosphatasen, Enzyme also, die eine Phosphat-Gruppe von einem Lipid-Substrat abspalten. Durch die Dephosphorylierung kann die Signalwirkung des Lipidphosphats verlorengehen und sein Abbau eingeleitet werden. Interessanterweise enthalten Lipidphosphat-Phosphatasen mehrere Transmembran-Domänen, sodass sie in der Membran von intrazellulären Organellen oder in der äußeren Zellhülle, der Plasmamembran, liegen können. Im zweiten Fall wäre die Domäne mit der Phosphatase-Aktivität auf der Außenseite der Zelle platziert, sodass die Enzyme in der Lage wären, extrazelluläre Substrate zu dephosphorylieren.

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Modell zum Einfluss der wunen-Gene auf die Migration der Keimzellen bei Drosophila. Nähere Erläuterungen im Text.

Einem Modell zufolge basiert die Wirkung der auf der Oberfläche somatischer Zellen liegenden wunens darauf, dass sie einen zur Gruppe der Lipidphosphate zählenden „Lockstoff“ (Attraktor) abbauen. Die Keimzellen werden daraufhin von den wunen-exprimierenden somatischen Zellen abgestoßen (Abb. 4; [5, 7]). Auch die Keimzellen, in denen die wunens aktiv sind, zerstören den Lipidphosphat-Attraktor, sodass die Keimzellen sich gegenseitig auf Abstand halten. Daher durchqueren sie den Mitteldarm in alle Richtungen und verteilen sich gleichmäßig auf die embryonalen Keimdrüsen. Ohne die Möglichkeit, Lipidphosphat-Lockmoleküle zu dephosphorylieren, sterben die Keimzellen ab – unabhängig davon, ob dies auf den Mangel an wunen-Aktivität in den Keimzellen selbst zurückzuführen ist oder darauf, dass somatische wunen-exprimierende Zellen den lokalen Lipidphosphat-Vorrat bereits erschöpft haben.

Schlussbemerkungen und Ausblick

Die genetische Kontrolle der Keimzell-Migration bei Drosophila verdeutlicht einige interessante biologische Prinzipien. Zunächst zeigt sie, dass nicht nur die Bildung, sondern auch die Zerstörung von Signalmolekülen eine wichtige Rolle bei der Navigation von Zellen spielen kann. Zweitens kann die gegenseitige Abstoßung von Zellen offenbar als Mechanismus genutzt werden, um diese Zellen zu verteilen. Und letztlich scheinen Signale, die das Überleben und die Richtungskontrolle zugleich beeinflussen, besonders effektiv zu sein, um eine zuverlässige Migration zu gewährleisten. Ein wichtiges Forschungsziel ist nun, den mutmaßlichen Lipidphosphat-Attraktor zu identifizieren. Die Untersuchung von Lipiden bei Drosophila wird uns nicht nur tiefere Einblicke darin verschaffen, welche Vielfalt an Signalmolekülen die Natur zur Steuerung von Zellen benutzt. Es besteht auch die Hoffnung, dass wir in der Lage sein werden, Krankheiten zu identifizieren, die auf eine Fehlregulation von Lipidsignalen zurückgehen.

1.
C. Nüsslein-Volhard, E. Wieschaus:
Mutations affecting segment number and polarity in Drosophila.
Nature 287, 795 – 801 (1980).
2.
B. E. Richardson, R. Lehmann:
Mechanisms guiding primordial germ cell migration: strategies from different organisms.
Nature Reviews Molecular Cell Biology 11, 37 – 49 (2010).
3.
N. Zhang, J. Zhang, K. J. Purcell, Y. Cheng, K. Howard:
The Drosophila protein Wunen repels migrating germ cells.
Nature 385, 64 – 67 (1997).
4.
M. Starz-Gaiano, N. K. Cho, A. Forbes, R. Lehmann:
Spatially restricted activity of a Drosophila lipid phosphatase guides migrating germ cells.
Development 128, 983 – 991 (2001).
5.
A. D. Renault, Y. J. Sigal, R. Lehmann:
Soma-germ line competition for lipid phosphate uptake regulates germ cell migration and survival.
Science 305, 1963 - 1966 (2004).
6.
K. Hanyu-Nakamura, S. Kobayashi, A. Nakamura:
Germ cell-autonomous Wunen2 is required for germline development in Drosophila embryos.
Development 131, 4545 – 4553 (2004).
7.
A. D. Renault, P. S. Kunwar, R. Lehmann:
Lipid phosphate phosphatase activity regulates dispersal and bilateral sorting of embryonic germ cells in Drosophila.
Development 137, 1815 – 1823 (2010).
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