Forschungsbericht 2016 - Friedrich-Miescher-Laboratorium für biologische Arbeitsgruppen in der Max-Planck-Gesellschaft

Musterbildung: Wie aus einer Zelle ein Tier entsteht

Autoren
Müller, Patrick
Abteilungen
Max-Planck-Forschungsgruppe Systembiologie der Entwicklung
Zusammenfassung
Die Gruppe Systembiologie der Entwicklung erforscht, wie Signalmoleküle einen zunächst undifferenzierten Zellhaufen in einen strukturierten Embryo verwandeln. Die Wissenschaftler verfolgen dazu einen interdisziplinären Ansatz und nutzen Methoden der Genetik, der Biophysik, der Mathematik und der Informatik. Die Ergebnisse sollen insbesondere darüber Aufschluss geben, wie aus Stammzellen Gewebe für die Regenerationsmedizin hergestellt werden könnten.

Ex ovo omnia

Wie sich aus einem scheinbaren Nichts ein Embryo entwickeln kann, beschäftigt die Menschheit seit Jahrtausenden. Noch bis in das 19. Jahrhundert hinein nahmen Gelehrte an, der fertige Bauplan des Embryos wäre bereits im Samen oder im Ei vorgebildet und müsse sich lediglich noch bis zur erwachsenen Form entfalten. Heute weiß man, dass während der Entwicklung eines Organismus aus einer befruchteten Eizelle völlig neue Strukturen entstehen, die noch nicht im Samen oder Ei angelegt waren. Solche sich selbst organisierenden Prozesse werfen die Frage nach dem zugrunde liegenden Mechanismus auf: Wie entsteht aus einem undifferenzierten Zellhaufen ein strukturierter Embryo?

Die Forschergruppe Systembiologie der Entwicklung am Friedrich-Miescher-Laboratorium in Tübingen geht dieser Frage nach und forscht hauptsächlich an Zebrafisch-Embryonen und embryonalen Stammzellen der Maus. Zebrafisch-Embryonen sind für diese Arbeiten besonders gut geeignet, weil sie transparent sind und man deshalb die Entwicklung der Organe eines einfachen Wirbeltieres mikroskopisch betrachten kann. Sowohl die Forschung an Zebrafischen als auch die experimentelle und theoretische Entwicklungsbiologie haben am Tübinger Max-Planck-Campus eine lange Tradition. So wurde in Tübingen das weltweit erste große Zebrafisch-Labor gebaut [1] und eine grundlegende Theorie zur biologischen Musterbildung entwickelt [2]. Die Forschungsgruppe Systembiologie der Entwicklung nutzt diese Tradition auf dem Tübinger Max-Planck-Campus, um die allgemeinen Prinzipien von sich selbst organisierenden Entwicklungsvorgängen zu untersuchen.

Die Geheimnisse der Musterbildung: Aktivierung und Inhibition

Bereits 1952 hatte der englische Mathematiker Alan Turing eine Theorie für die Musterbildung vorgeschlagen [3]. Tübinger Max-Planck-Forscher erkannten dann das zentrale Organisationsprinzip: Die Muster, die während der Embryonalentwicklung entstehen, werden durch das Wechselspiel von aktivierenden und inhibierenden Signalen gesteuert [2]. Wie dieses Wechselspiel genau funktioniert, untersucht die Forschungsgruppe Systembiologie der Entwicklung mit quantitativen Methoden; einerseits experimentell und andererseits mithilfe von theoretischen Ansätzen und Computersimulationen. Dazu arbeiten Entwicklungs- und Systembiologen, Biochemiker, Mathematiker und Informatiker zusammen. Sie untersuchen die frühesten Entwicklungsvorgänge der Wirbeltier-Embryogenese, bei denen ein nahezu homogenes Zellfeld in unterschiedliche Zellarten aufgeteilt wird. Bei diesem ersten Symmetriebruch entstehen drei Zellarten, die sogenannten Keimblätter, in denen die grobe Körpereinteilung in innere (z.B. Darm), mittlere (z.B. Muskeln) und äußere (z.B. Haut) Körperschichten bereits angelegt ist (Abb. 1).

original
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Abb. 1: Musterbildung - Vereinfachte Darstellung der Wirbeltierentwicklung. Aus einem homogenen Zellhaufen entstehen während der Gastrulation zuerst die drei Keimblätter Endoderm (gelb), Mesoderm (rot) und Ektoderm (blau). Diese Keimblätter liefern Vorläuferzellen für alle späteren Organe. Ektodermzellen bilden die äußere Schicht (z.B. Haut), Mesodermzellen die mittlere Schicht (z.B. Muskeln und Blut) und Endodermzellen die innere Schicht (z.B. Darm).
Abb. 1: Musterbildung - Vereinfachte Darstellung der Wirbeltierentwicklung. Aus einem homogenen Zellhaufen entstehen während der Gastrulation zuerst die drei Keimblätter Endoderm (gelb), Mesoderm (rot) und Ektoderm (blau). Diese Keimblätter liefern Vorläuferzellen für alle späteren Organe. Ektodermzellen bilden die äußere Schicht (z.B. Haut), Mesodermzellen die mittlere Schicht (z.B. Muskeln und Blut) und Endodermzellen die innere Schicht (z.B. Darm).

Die wenigen Signalmoleküle, die diesen Symmetriebruch vermitteln, sind seit längerem bekannt, unter anderem aus Mutagenese-Experimenten, die erstmals am Tübinger Max-Planck-Campus durchgeführt worden waren [4-6]. So werden über Nodal-Proteine die inneren und mittleren Keimblätter ausgebildet, wohingegen Lefty-Proteine Gegenspieler der Nodal-Proteine sind und die Bildung des äußeren Keimblatts fördern. Um die Kinetik des Wechselspiels zwischen Aktivatoren und Inhibitoren zu verstehen, haben die Forscher der Gruppe Systembiologie der Entwicklung zusammen mit Kollegen bereits einige Eigenschaften dieses Systems bei Zebrafisch-Embryonen gemessen [6-9] und den zeitlichen Ablauf am Computer nachgestellt. Sie haben zum Beispiel herausgefunden, dass sich Nodal-Proteine langsam und Lefty-Proteine schnell durch den Embryo bewegen. Dadurch entsteht insgesamt ein System von kurzreichweitigen Aktivatoren, die sich selbst verstärken und von langreichweitigen Gegenspielern inhibiert werden. Die Forscher vermuten, dass das System ähnlich der Entstehung von Sanddünen funktionieren könnte [2]. Bei diesem Vergleich sind die Aktivatoren für die Bildung von Dünen Sandkörner, die sich durch den Wind aus einer anfänglich homogenen Verteilung zu kleinen Hügeln aufbauen – ein sich selbst verstärkender Prozess mit kurzer Reichweite, da sich im Windschatten der Hügel weiterer Sand anhäufen kann. Diese Anhäufung wiederum führt zu einer langreichweitigen Inhibition, da der angehäufte Sand nicht mehr für weitere Anhäufungen in der unmittelbaren Nachbarschaft zur Verfügung steht mit der Folge, dass es erst ein Stückweit hinter der Düne wieder zur Bildung kleiner Hügel kommt.

Wie genau die konzeptionell ähnlichen Prozesse von kurzreichweitiger Aktivierung und langreichweitiger Inhibition bei der Entwicklung von Wirbeltier-Embryonen ablaufen, wird mithilfe quantitativer Experimente und Computer-Simulationen geklärt. Die Forscher hoffen, dass diese Erkenntnisse über die Selbstorganisationsprozesse der Zellen eines Tages für regenerationsmedizinische Ansätze verwendet werden können, um aus Stammzellen gezielt Gewebe und Organe für Patienten herzustellen.

Biologische Selbstorganisation für die Regenerationsmedizin nutzbar machen

Stammzellen für die Regenerationsmedizin sind pluripotent und können sich unter dem Einfluss geeigneter Signalmoleküle in alle möglichen Zelltypen des ausgewachsenen Körpers differenzieren. Auch die Zellen eines sehr jungen Zebrafisch-Embryos sind noch pluripotent und annähernd homogen verteilt, aber die Eier weisen doch eine natürliche Polarität auf [10]. Zum Beispiel sitzen die embryonalen Zellen auf einem Dottersack, der zwar hauptsächlich der Ernährung des jungen Embryos dient, aber auch die Differenzierung benachbarter Zellen beeinflussen kann.

Um die biologische Selbstorganisation ohne störende äußere Einflüsse untersuchen zu können, forschen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler deshalb auch an embryonalen Stammzellen von Mäusen. Diese Zellen können in künstlicher Nährlösung homogen kultiviert werden und organisieren sich unter speziellen Bedingungen spontan in eine Zellkugel, die die Keimblattbildung bei der Embryogenese widerspiegelt. Dabei handelt es sich um ein komplett selbstorganisierendes System ohne äußere Einflüsse, bei dem die Bedingungen der frühen Musterbildung genau kontrolliert werden können. Ein besseres Verständnis dieser im Grunde relativ einfachen Vorgänge sollte es in Zukunft ermöglichen, die Musterbildung derart zu beeinflussen, dass komplexe Gewebesysteme und möglicherweise ganze Organe gezüchtet werden können.

Die Forscher verfolgen während der Selbstorganisation fluoreszenzmarkierte Signalmoleküle, ähnlich einem GPS-System, und können so die Musterbildungsprozesse am lebenden Objekt direkt beobachten. Mithilfe einer neuen Methode, der sogenannten Lichtblattmikroskopie, betrachten sie den Entwicklungsvorgang aus vier verschiedenen Blickwinkeln in rund 300 unterschiedlichen Schnittebenen. Bei diesem Verfahren wird jeweils nur eine einzige Ebene mit Licht angeregt, sodass die lebenden Zellen bei der Betrachtung geschont werden. Da die Bildinformation aus mehreren Blickwinkeln aufgenommen wird, ist es möglich, aus den 2D-Mikroskopiebildern präzise 3D-Modelle zu erstellen. So können lang andauernde Beobachtungsreihen mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung aufgenommen werden, die einen einzigartigen Zugang zu den Abläufen während der frühen Musterbildung ermöglichen (Video).

Vom Zellhaufen zum Embryo: Zebrafischentwicklung im Lichtblattmikroskop

Zu sehen sind die leuchtenden Kerne (mit grün fluoreszierendem Protein markierte Histone) aller Zellen vom Beginn der Gastrulation bis zur Enstehung der ersten Organ-Anlagen eines Zebrafisch-Embryos (insgesamt 18 Stunden). In der 3D-Ansicht am Ende des Videos ist die Kopf-Schwanz-Achse des Embryos bereits klar erkennbar.

Ausblick: Molekulare Mechanismen der Musterbildung

Langfristig möchte die Forschungsgruppe Systembiologie der Entwicklung ergründen, wie das Zusammenspiel von Signalgebungs-Systemen zu selbstorganisierenden Musterbildungsprozessen führt. Zur weiteren Erforschung der biologischen Selbstorganisation haben die Wissenschaftler kürzlich vom Europäischen Forschungsrat (European Research Council, ERC) einen Starting Grant mit einem Fördervolumen von rund 1,5 Millionen Euro erhalten. Diese zusätzliche finanzielle Ausstattung wird es den Forschern ermöglichen, mithilfe umfassender und quantitativer Bildgebungsverfahren wichtige räumliche und zeitliche Informationen über die Signaldynamiken zu erhalten. Zwei Fragestellungen stehen dabei im Mittelpunkt: Erstens, wie werden die Muster proportional zur Embryogröße reguliert? Die räumliche Ausdehnung von Signalsystemen muss auf die Größe des Embryos angepasst werden, da sich kleine und große Embryonen zu Tieren mit normalen Muster-Proportionen entwickeln; es ist aber bisher nicht verstanden, wie dies erreicht wird und welche Mechanismen dafür verantwortlich sind. Zweitens, wie wird der Transport von Signalmolekülen gesteuert? Aktivatoren und Inhibitoren bewegen sich, wie bereits erwähnt, unterschiedlich schnell durch den Embryo, aber es ist nicht klar, wodurch diese Unterschiede zustande kommen.

Wenn der Transport von Signalmolekülen künstlich und beliebig gesteuert werden könnte, sollte es möglich sein, gezielt neue, für die Regenerationsmedizin relevante Gewebemuster zu gestalten, die zuvor mithilfe von Computer-Simulationen modelliert wurden. Denkbar ist auch, dass solche Ansätze neue Einstiegspunkte bieten, um synthetische biologische Musterbildungssysteme zu entwerfen. Die Kombination von quantitativer Beobachtung, mathematischer Modellierung und experimenteller Überprüfung sollte es deshalb zukünftig ermöglichen, allgemeine Grundsätze von Selbstorganisationsprozessen zu verstehen und dem Geheimnis biologischer Musterbildung näher zu kommen.

Literaturhinweise

1.
Nüsslein-Volhard, C.
The zebrafish issue of development
Development 139, 4099-4103 (2012)
DOI
2.
Meinhardt, H.
Models for patterning primary embryonic body axes: The role of space and time
Seminars in Cell and Developmental Biology 42, 103-117 (2015)
DOI
3.
Turing, A.M.
The chemical basis of morphogenesis
Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences 237, 37-72 (1952)
4.
Schier, A.F.; Talbot, W.S.
Molecular genetics of axis formation in zebrafish
Annual Review of Genetics 39, 561-613 (2005)
5.
Müller, P.; Schier, A.F.
Extracellular movement of signaling molecules
Developmental Cell 21, 145-158 (2011)
DOI
6.
Müller, P; Rogers, K.W.; Shuizi, R.Y.; Brand, M.; Schier, A.F.
Morphogen transport
Development 140, 1621-1638 (2013)
DOI
7.
Müller, P.; Rogers, K.W.; Jordan, B.M.; Lee, J.S.; Robson, D.; Ramanathan, S.; Schier, A.F.
Differential diffusivity of Nodal and Lefty underlies a reaction-diffusion patterning system
Science 336, 721-724 (2012)
DOI
8.
Rogers, K.W.; Bläßle, A.; Schier, A.F.; Müller, P.
Measuring protein stability in living zebrafish embryos using Fluorescence Decay After Photoconversion (FDAP)
Journal of Visualized Experiments 95: 52266 (2015)
DOI
9.
Bläßle, A.; Müller, P.
PyFDAP: Automated analysis of Fluorescence Decay After Photoconversion (FDAP) experiments
Bioinformatics 15, 972-974 (2015)
DOI
10.
Xu, C.; Fan, Z.P.; Müller, P.; Fogley, R.; DiBiase, A.; Trompouki, E.; Unternaehrer, J.; Xong, F.; Torregroza, I.; Evans, T.; Megason, S.G.; Daley, G.Q.; Schier, A.F.; Young, R.A.; Zon, L.I.
Nanog regulates endoderm formation through the Mxtx2-Nodal pathway
Developmental Cell 22, 625-638 (2012)
DOI
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