Wenn Fische flüssig werden

Zebrafische sind nicht nur von Flüssigkeit umgeben, sondern werden während ihrer Entwicklung teilweise flüssig. Während sich der Zebrafischembryo von einem Zell-Ball zu einem voll ausgebildeten Fisch entwickelt, wechselt ein Bereich des Embryos von viskos zu flüssig. Dieser  Prozess wird als Fluiditätsübergang bezeichnet. Es wird seit langem spekuliert, ob ein solcher Übergang in lebenden Organismen existiert. Eine heute in Nature Cell Biology  erschienene Studie beschreibt zum ersten Mal einen Fluiditätsübergang in einem Lebewesen. Die Studie wurde von der Gruppe von Carl-Philipp Heisenberg am Institute of Science and Technology Austria, mit Erstautorin und Postdoc Nicoletta Petridou, und zusammen mit der Gruppe von Guillaume Salbreux am Francis Crick Institute und Edouard Hannezo, ebenfalls am IST Austria, durchgeführt.

Zebrafische eignen sich besonders gut für die Untersuchung der Entwicklung von Tieren, da ihre Embryonen transparent sind und sich außerhalb der Mutter entwickeln. Zu Beginn der Zebrafisch-Entwicklung breitet sich eine Gewebeschicht, das so genannte Blastoderm, über das Dotter aus. Das Blastoderm ändert dabei seine Form und bildet eine Kuppel, daher wird dieser Prozess als „Doming“ bezeichnet (abgeleitet vom Englischen „dome“ für Kuppel). In der vorliegenden Studie untersuchten Petridou et al. die mechanischen Kräfte, die während dieser Formänderung wirken. Indem sie durch eine Pipette Druck auf das embryonale Gewebe ausübten und maßen, wie schnell es sich verformt, konnten die Forscher ableiten, wie viskos oder flüssig das Gewebe ist: Gewebe, das sich langsam verformt, ist viskoser als Gewebe, das sich schnell verformt. Tests zu mehreren Zeitpunkten  in verschiedenen Regionen des sich entwickelnden Embryos zeigten, dass das Gewebe während des Doming zu einem sehr bestimmten Zeitpunkt und nur in einer Geweberegion plötzlich flüssig wird. „Ein solcher Fluiditätsübergang wurde von Theorie und Modellen vorhergesagt, aber hier zeigen wir zum ersten Mal, dass er in einem echten, lebenden Organismus stattfindet“, sagt Erstautorin Nicoletta Petridou.

Durch Teilung getrennt

Warum und wie wird Zebrafischgewebe flüssig? Im „normalen“ viskosen Gewebe stehen die Zellen in engem Kontakt miteinander. Die AutorInnen fanden heraus, dass der Fluiditätsübergang stattfindet, weil sich die Zellen während der Entwicklung immer weiter teilen. Während der Teilung werden die Zellen rund und lösen sich von ihren Nachbarn. Je mehr sich die Zellen teilen, desto mehr Verbindungen gehen zwischen ihnen verloren. Schließlich verlieren sie so viele Kontakte, dass das Gewebe flüssig wird. „Das ist eine mechanische und keine biochemische Veränderung“, erklärt Petridou, „Der Embryo ist programmiert, sich zu teilen, er kann ihm nicht entkommen.“

Alle Zellen im Embryo teilen sich jedoch, und die ForscherInnen beobachteten, dass nur eine sehr spezifische Region des Gewebes, die zentrale Region des Blastoderms, flüssig wird. Daher suchten sie nach einem Vorgang, der andere Bereiche des Embryos daran hindern würde, flüssig zu werden. Ein bestimmter Signalweg, der nicht-kanonische Wnt-Signalweg, stoppte die Fluiditätsänderung an den Rändern des Embryos, sagt Petridou. „Nichtkanonische Wnt-Signalwege halten die Zellen in Verbindung und ermöglichen es dem Rand des Embryos, die Verflüssigung zu umgehen. Wir denken, dass der Default des Gewebes der ist, flüssig zu werden, aber die Signale verhindern es in bestimmten Bereichen.“

Eine plötzliche Veränderung

Wenn der Fluiditätsübergang schief geht – entweder weil die Forscher die Wnt-Signalisierung stoppten, so dass alle Bereiche des Blastoderm flüssig werden, oder weil sie die Fluidisierung im gesamten Blastoderm hemmten – ist das Doming beeinträchtigt und die frühe Entwicklung des Embryos schreitet langsamer voran.

„Unsere Studie zeigt, dass regulierte Veränderungen der Gewebematerialeigenschaften eine wichtige und bedeutende Rolle in der Morphogenese spielen“, fasst Petridou zusammen. Aber die AutorInnenen könnten auch erste Anzeichen für ein bekanntes physikalisches Konzept in einem lebenden Organismus gefunden haben. Der sehr plötzliche Übergang von viskos zu flüssig im Blastoderm ähnelt einem bekannten physikalischen Konzept, dem Phasenübergang. „Phasenübergänge, wie z.B. beim Kochen von Wasser, treten plötzlich auf. Wir bezeichneten das bei Zebrafischen beobachtete Phänomen als „Fluiditätsübergang“, da wir nicht sicher sind, ob es sich tatsächlich um einen Phasenübergang im wahrsten Sinne der Physik handelt“, erklärt Petridou, „aber wir arbeiten weiter daran zu definieren, ob es sich um einen Phasenübergang handelt. Phasenübergänge können in molekularen Netzwerken auftreten, aber wir wissen noch nicht, ob sie in einem Gewebe oder in einem Embryo vorkommen können.“

Publikation:

Petridou NI, Grigolon S, Salbreux G, Hannezo E & Heisenberg CP. 2018. Fluidization-mediated tissue spreading by mitotic cell rounding and non-canonical Wnt signalling. Nature Cell Biology.DOI: 10.1038/s41556-018-0247-4