Forschungsbericht 2013 - Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik

Wie sich Gewebe bewegt – Epibolie im Zebrafisch

Autoren
Grill, Stephan
Abteilungen
Motor Systems (Grill Lab)
Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik, Dresden
Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme, Dresden
Zusammenfassung
Bei der Epibolie stülpt sich in Zebrafisch-Embryonen Gewebe über das nährende Dotter – wie eine über den Kopf gezogene Mütze. Bisher vermutete man die auslösende Kraft dafür in einem Ring, der sich selbstständig zusammenzieht. Doch die Wachstumsbewegung ist komplexer: Ein Ring aus Aktin und Myosin zieht sich zwar tatsächlich rundum am unteren Gewebeende zusammen, gleichzeitig lässt das Protein-Netzwerk aber auch Material von der Unterseite des Dottersacks in den Ring strömen. Dieser neu entdeckte Mechanismus spielt die zentrale Rolle, um die Zellschicht nach unten zu bewegen.

Zebrafische laichen Eier ab, aus jedem einzelnen entwickelt sich in nur fünf Tagen ein fertiger Fisch. Ein wichtiger Schritt während dieser Entwicklung ist die sogenannte Gastrulation, die beim Zebrafisch als Epibolie stattfindet: Bei dieser Wachstumsbewegung stülpt sich eine hautähnliche Gewebeschicht, die Enveloping Cell Layer (EVL) genannt wird, über das nährende Dotter – wie eine Wollmütze, die über den Kopf gezogen wird. Am Ende der Gastrulation umschließt die schützende Gewebeschicht den gesamten Embryo (Abb. 1). Bisher erklärte man sich die auslösende Kraft für diese komplexe Gewebebewegung damit, dass sich ein Ring aus den Proteinen Aktin und Myosin rundum am unteren Ende des Gewebes zusammenzieht, das Gewebe also rafft – als ob man eine Mütze an der Krampe zusammenzieht. Solche Aktomyosin-Ringe steuern viele frühe Entwicklungsprozesse; Ringgebilde aus Aktin und Myosin, die sich zusammenziehen, sind auch in andere Prozesse involviert, etwa in Wundheilung oder Zellteilung. Wie genau aber die Kräfte entstehen, welche die Gewebeschicht über den kugelförmigen Embryo ziehen, war bisher unklar.

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Abb. 1: Ein Zebrafisch-Embryo ist kugelförmig. Während der Entwicklung wird eine hautähnliche Gewebeschicht über die Kugel gestülpt. Variablen zur theoretischen Beschreibung des Prozesses sind illustriert, die roten und grünen Pfeile weisen auf die im Ring bestehenden mechanischen Spannungen hin.

Die Arbeitsgruppe von Stephan Grill, die an zwei Dresdner Max-Planck-Instituten angesiedelt ist – dem für molekulare Zellbiologie und Genetik und dem für Physik komplexer Systeme – hat sich die physikalischen Mechanismen genauer angeschaut, die den komplexen Gewebebewegungen zu Grunde liegen. Ein erster Blick galt der Verteilung der Proteine Myosin und Aktin. Kurz nach dem Einsetzen der Epibolie, wenn die äußere Gewebeschicht ungefähr 40 Prozent des Dotters abdeckt, zeigt sich tatsächlich eine Anreicherung der beiden Proteine am unteren Rand der Gewebeschicht – wie ein breites Band zunächst, das sich dann im Laufe des Prozesses zu einem Ring verengt.

Zerstört man diesen Aktomyosin-Ring – die Forscher haben ihn mit einem UV-Laser zerschnitten [1] – in dem Moment, wenn die Epibolie zu 60 Prozent fortgeschritten ist, so lässt sich eine deutliche Verlangsamung der Gewebebewegung feststellen. Dies legt nahe, dass der Ring aus den beiden angereicherten Proteinen an sich tatsächlich von fundamentaler Bedeutung für die Bewegung der hautähnlichen EVL-Schicht ist. Als nächstes wurde die Kontraktion der unteren Gewebeschicht entlang des Äquators der Embryo-Kugel als Bewegungsimpuls auf den Prüfstand gestellt. Wieder zerschnitt das Forschungsteam den Aktomyosin-Ring mit einem Laser – diesmal in senkrechter Richtung zum Geweberand. Die Beobachtung: Das Netzwerk aus Aktin und Myosin schnalzte rapide auseinander wie ein zerschnittener Gummi – ein Beweis, dass er vor dem Schnitt tatsächlich unter Spannung stand. Wiederholt man den Versuch in verschiedenen Epibolie-Phasen, lässt sich deutlich zeigen, dass das Auseinanderschnellen an Geschwindigkeit zunimmt, je weiter die Gastrulation fortgeschritten ist. Die Folgerung: Die Anspannung rund um den unteren Rand der Gewebeschicht nimmt während der Epibolie ständig zu.

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Abb. 2: Ein Ring aus Aktin und Myosin zieht sich rundum am unteren Gewebeende zusammen, gleichzeitig lässt das Protein-Netzwerk auch einen Materialstrom von der Unterseite des Dottersacks in den Ring strömen.

Da der wachsende Embryo kugelförmig ist, ist die rundum laufende Kraft, die den Geweberand nach unten zieht, gleich Null am Äquator und wird in Richtung des Südpols der Kugel immer größer. Experimente haben aber gezeigt, dass das alleinige Einschnüren der Gewebeschicht nicht ausreicht, um das Gewebe über die Dotterkugel zu stülpen. Die Forscher bemerkten eine zusätzliche Spannung auf der Achse der beiden Pole – woher rührt sie? Schaut man sich die Verteilung der Proteine Myosin und Aktin im Grundgewebe mit hochauflösender Spinning-Disk-Konfokalmikroskopie an, so offenbart das einen Materialstrom der beiden Proteine vom unteren Pol in Richtung des Geweberands (Abb. 2). Die senkrecht strömenden Proteine sind zu Beginn der Epibolie recht langsam und beschleunigen dann im Verlauf des Prozesses. Wurde nun dieser Strömungsprozess in den theoretischen Modellen [1, 2] mit berücksichtigt, entsprachen alle gemessenen Kräfte genau den theoretischen Voraussagen [3]. Insbesondere fügen sie dem bisherigen Erklärungsmodell des kontraktilen Rings eine weitere Dimension hinzu: Ein Aktomyosin-Ring zieht sich zwar tatsächlich entlang seines Umfangs zusammen, gleichzeitig sorgen Aktin und Myosin aber auch dafür, dass Material von der Unterseite des Dottersacks in den Ring strömt und sich so der Ring auch in seiner Breite zusammenzieht. Die Kombination aus diesen beiden Mechanismen lässt die Zellschicht nach unten wandern.

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Abb. 3: Die ursprüngliche Kugelform eines wachsenden Zebrafisch-Embryos wurde durch einen Trick zylindrisch umgeformt. Damit herrschen quasi überall die Bedingungen, wie sie am Äquator auftreten.

Daran schloss sich nun noch die Frage an, ob der Materialstrom vom unteren Pol die Wachstumsbewegung alleine auslösen kann. Hierzu bedienten sich die Forscher eines Tricks: Am Äquator führt das Zusammenziehen des Aktomyosin-Rings alleine nicht zu einer Fortbewegungskraft, hier kann nur der Aktomyosin-Strom für die Fortbewegung verantwortlich sein. Also veränderten die Forscher die ursprünglichen geometrischen Gegebenheiten des wachsenden Embryos von der Kugelform zur zylindrischen Form und sorgten so dafür, dass der Ring an allen Stellen auf eine Situation trifft, wie sie der am Äquator einer Kugel entsprechen würde (Abb. 3). Dazu wurden wachsende Fischeier in ganz frühen Stadien mittels Agar-Röhrchen in zylindrische Form gepresst. Bemerkenswerterweise  zeigte sich, dass der Aktomyosin-Ring durch die veränderte Geometrie nicht beeinflusst wurde. Daraus schließen die Forscher, dass der neu entdeckte Mechanismus – der Aktomyosin-Materialstrom von der Unterseite des Dottersacks in den Ring – alleine ausreicht, um die untersuchte Wachstumsbewegung auszulösen [3].

Die Arbeiten kombinieren biologische Experimente und physikalische Modelle, auch unter Mitarbeit von Guillaume Salbreux, einem weiteren Arbeitsgruppenleiter am Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme (MPI-PKS) in Dresden. Angeführt wurde das deutsch-österreichische Team gemeinsam von Stephan Grill  und von Carl-Philipp Heisenberg, der bis 2010 am selben Dresdner Institut als Gruppenleiter tätig war und dann an das Institute of Science and Technology Austria weiterzog.

Literaturhinweise

1.
Mayer, M.; Depken, M.; Bois, J. S.; Jülicher, F.; Grill, S. W.
Anisotropies in cortical tension reveal the physical basis of polarizing cortical flows
Nature 467, 617-621 (2010)
2.
Bois, J. S.; Jülicher, F.; Grill, S. W.
Pattern formation in active fluids
Physical Review Letters 106, 28103 (2011)
3.
Behrndt, M.; Salbreux, G.; Campinho, P.; Hauschild, R.; Oswald, F.; Rönsch, J.; 
Grill, S. W.+; Heisenberg, C. P.+; +corresponding authorship
Forces driving epithelial spreading in zebrafish gastrulation
Science 338, 257-260 (2012)
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