Zellkontakte während der Embryonalentwicklung bestimmen das Zellschicksal

Der Mensch besteht aus rund 37.2 Billionen Zellen. Aber nicht alle Zellen sind gleich: während Muskelzellen die molekulare Maschinerie enthalten, um die Muskeln zusammenzuziehen und zu entspannen, erstrecken sich manche Neuronen mit meterlangen Axonen von der Wirbelsäule aus bis in die Zehenspitzen, rote Blutkörperchen wiederum binden Sauerstoff und transportieren diesen durch den Körper. Aber wie „weiß“ eine Zelle, welche Funktion sie hat? In einer Publikation, die heute im Journal Developmental Cell erscheint, beschreibt die Gruppe von Carl-Philipp Heisenberg am Institute of Science and Technology Austria (IST Austria), darunter Erstautorin und PhD Studentin Vanessa Barone, wie das Schicksal einer Zelle bestimmt wird. Sie entdeckten in ihrer Studie eine positive Rückkopplungsschleife zwischen der Dauer von Zell-Zell Kontakten und der Spezifizierung des Schicksals einer Zelle.

Die Zellen in unserem Körper sitzen nicht einfach nebeneinander, benachbarte Zellen können Verbindungen miteinander eingehen: diese sind von unterschiedlicher Größe, Stärke und Dauer, und reichen von einer Zelle zur anderen. Um zu testen, wie die Signalgebung zwischen Zellen und die Bildung von Zell-Zell Kontakten auf einander einwirken, und wie sie das Zellschicksal beeinflussen, verwendeten Heisenberg und seine Gruppe den Zebrafisch, einen kleinen Fisch, der häufig zur Untersuchung der Tierentwicklung herangezogen wird.

Das Forscherteam untersuchte Vorläuferzellen innerhalb des sich bildenden vorderen axialen Mesentoderms. Aus diesem entstehen Mesoderm und Entoderm des Kopfs. In diesem System identifizierten die AutorInnen eine positive Rückkopplungsschleife zwischen der Bildung von Zell-Zell Kontakten und der Spezifizierung des Zellschicksals: wenn Mesentoderm-Vorläuferzellen langanhaltende Zell-Zell Kontakte bilden, werden die Zellen zu Kopf-Mesoderm, wenn sie allerdings nur kurzanhaltende Kontakte bilden, werden sie zu Entoderm. Die Bildung von Zell-Zell Kontakten und die Spezifizierung des Zellschicksals fördern einander gegenseitig, da die Bildung von Kontakten eine hohe Aussendung von Nodal/TGFb Signalen von Zelle zu Zelle auslöst. Diese Signalaussendung wird benötigt, um das Zellschicksal des Kopf-Mesentoderms und seine Differenzierung auszulösen, gleichzeitig fördern Nodal-Signale umgekehrt die Bildung von Zell-Zell Kontakten. Die AutorInnen identifizierten also die Dauer von Zell-Zell Kontakten – im Gegensatz etwa zu Anzahl oder Größe der Kontakte – als eine wesentliche Funktion, die das Ausmaß der Signalsendung von Zelle zu Zelle kontrolliert; diese wiederum bestimmt binäre Entscheidungen über das Zellschicksal während der Embryonalentwicklung.

Carl-Philipp Heisenberg ist gewähltes Mitglied der European Molecular Biology Organization (EMBO) und der Leopoldina, Deutschlands Nationaler Akademie der Wissenschaften. Heisenberg kam 2010 an das IST Austria, wo er und seine Gruppe die Morphogenese, also die Gestaltbildung von Wirbeltieren in einem multidisziplinären Zugang untersuchen. Dabei nutzen sie eine Kombination aus genetischen, zellbiologischen, biochemischen und biophysikalischen Techniken. Heisenberg erhielt 2017 einen Advanced Grant des European Research Council. Erstautorin Vanessa Barone war Studentin in seiner Gruppe und promovierte diesen Sommer vom PhD Programm des IST Austria. Die interdisziplinäre Graduate School des IST Austria, die Vanessa besuchte, bietet voll finanzierte Doktorandenstellen in den Naturwissenschaften und der Mathematik: http://phd.ist.ac.at/