Während der Entwicklung eines Embryos formen mechanische Kräfte die Gewebe und Organe durch einen Prozess, der Morphogenese genannt wird. Indem sich die Gewebe gegenseitig drücken und ziehen, liefern sie den Zellen wichtige Informationen und bestimmen die Form der Organe. Trotz der großen Bedeutung dieser mechanischen Kräfte ist ihre Rolle in der Evolution der Entwicklung noch nicht vollständig geklärt.

Bei der Entwicklung von Tierembryonen sind ebenfalls mechanische Kräfte beteiligt. Gewebeströmungen und Faltungsprozesse verwandeln eine einschichtige Blastula (eine hohle Kugel aus Zellen) in eine komplexe mehrschichtige Struktur, die Gastrula. Während der frühen Gastrulation bilden einige Fliegen der Ordnung Diptera an der Grenze zwischen Kopf und Rumpf eine Gewebefalte, die man als Cephalic Furrow (Kopffurche) bezeichnet. Diese Falte ist ein spezifisches Merkmal einer Untergruppe der Diptera. Sie wurde also gewissenmaßen von den echten Fliegen der Ordnung Diptera evolutionär  „erfunden“.

Unsere Forschungsgruppe hat gemeinsam mit der Gruppe von Carl Modes, ebenfalls Gruppenleiter am Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik in Dresden, die Funktion der Cephalic Furrow während der Entwicklung der Fruchtfliege Drosophila melanogaster und den möglichen Zusammenhang mit ihrer Evolution untersucht.

Eine genetisch gemusterte Falte mit unbekannter Funktion

Wir wussten bereits zu Beginn unserer Forschungsarbeit, dass mehrere Gene an der Bildung der Kopffurche beteiligt sind. Das Interessante an der Kopffurche ist, dass es sich um eine markante embryonale Einstülpung handelt, deren Entstehung zwar genetisch gesteuert wird, die aber während der Entwicklung selbst keine offensichtliche Funktion hat. Die Falte bildet keine spezifischen Strukturen und entfaltet sich wieder im weiteren Verlauf der Entwicklung, ohne Spuren zu hinterlassen. Unsere ursprüngliche Frage war daher, welche Gene an der Bildung der Kopffurche beteiligt sind und welche Rolle die Einstülpung in der Entwicklung spielt. Unsere  Experimente zeigten, dass das Fehlen der Kopffurche zu einer erhöhten mechanischen Instabilität des Embryonalgewebes führt. Dabei liegt  die Hauptursache für die mechanische Belastung in den Zellteilungen und Gewebebewegungen, wie sie für die Gastrulation typisch sind. liegen.

Wir konnten feststellen, dass die Bildung der Kopffurche diese Druckbelastungen absorbiert. Ohne eine Kopffurche bauen sich die Spannungen auf, und die äußeren Kräfte, die durch die Zellteilungen in der einschichtigen Blastula entstehen, führen zu mechanischer Instabilität und Gewebeverformungen. Diese faszinierende physikalische Funktion brachte uns auf die Idee, dass sich die Kopffurche als Reaktion auf die mechanischen Herausforderungen der Gastrulation bei Dipteren entwickelt haben könnte, wobei die mechanische Instabilität als möglicher Anpassungsdruck fungiert haben könnte.

Physikalisches Modell zur Dynamik der Faltung

Um herauszufinden, wie viel die einzelnen mechanischen Belastungen ausmachen, entwickelte das Forschungteam ein theoretisches physikalisches Modell, das sich wie die Fliegenembryonen verhält. Unser Modell kann das Verhalten von embryonalem Gewebe in Fliegenembryonen mit sehr wenigen freien Parametern simulieren. Als Datengrundlage dienten die experimentellen Ergebnisse. „Gefüttert“ wurde das Modell mit den Daten aus den Experimenten. Zunächst wollten wir sehen, wie sich die Stärke der Faltung auf die Funktion der Kopffurche auswirkt. Wir gingen davon aus, dass ein starker Zug innerhalb der Faltung ein guter Puffer ist, um mechanischen Kräften entgegenzuwirken. Wir stellten jedoch fest, dass es vor allem auf die Position und den Zeitpunkt ankommt: Je früher sich die Kopffurche bildet, desto besser funktioniert sie als Puffer. Wenn sie sich ungefähr in der Mitte des Embryos bildet, hat sie die stärkste Pufferwirkung. Unser physikalische Modell bietet also eine theoretische Grundlage dafür, dass die Kopffurche Druckbelastungen absorbieren und mechanische Instabilitäten im embryonalen Gewebe während der Gastrulation verhindern kann.

Verwandte Studie entdeckt zwei zelluläre Mechanismen zur Stressvermeidung

Eine andere Studie, die sich ebenfalls damit beschäftigt, wie Fliegen mechanischen Belastungen entgegenwirken, wurde von Kooperationspartnern in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht. Das Team um Steffen Lemke von der Universität Hohenheim und Yu-Chiun Wang vom RIKEN Center for Biosystems Dynamics Research in Kobe, Japan, entdeckte zwei verschiedene Methoden, mit denen Fliegen während ihrer Embryonalentwicklung auf Druckbelastungen reagieren. Fliegen verfügen entweder über eine Kopffurche oder, wenn ihnen diese fehlt, über eine ausgedehnte Teilung außerhalb der Ebene, was bedeutet, dass sich die Zellen nach unten teilen, um die Oberfläche zu verringern. Beide Mechanismen wirken als mechanische Ableitung, um Gewebekollisionen und -verformungen zu verhindern.  

Literaturhinweise