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Donnerstag, 30.03.2017
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Spermium bestimmt „Oben“ und „Unten“ im Embryo

Räumliche Ordnung im Embryo wird durch Zentrosom festgelegt

Wo bei einem Embryo vorne und hinten ist, entscheidet das Spermium bereits unmittelbar nach der Befruchtung: Ein Teil des Spermiums, der so genannte Zentrosom-Komplex, organisiert die räumliche Struktur des Embryos im frühesten Entwicklungsstadium. Das fanden Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für molekulare Zellbiologie und Genetik in Dresden heraus.
Frühe Teilung: 6-Zell-Stadium eines Embryos

Frühe Teilung: 6-Zell-Stadium eines Embryos

Die Ausbildung der Körperachsen von tierischen Organismen ist ein fundamentales Problem in der Entwicklungsbiologie. Wo entsteht der Kopf und wo der Schwanz? Die Entscheidungen dazu werden im Embryo sehr früh getroffen, doch auf welche Weise zum Beispiel die vordere und die hintere Hemisphäre definiert werden, ist weitgehend unbekannt. Der kleine Fadenwurm C. elegans hat in den vergangenen 20 Jahren eine Reihe von neuen Erkenntnissen dazu geliefert, wie sich die Körperachsen ausbilden. So wird die erste Achse noch im einzelligen Embryo festgelegt, etwa 30 Minuten nach der Befruchtung, wenn sich zwei unterschiedliche Bereiche herauszubilden beginnen. Diese bilden dann die beiden Hemisphären des ovalen Embryos und bestimmen die zukünftige Entwicklung der Haut beziehungsweise der inneren Organe.

Bisher ungeklärte Frage gelöst


Doch eine wichtige Frage blieb bisher unbeantwortet. Wodurch wird die Achse spezifiziert, an der entlang sich die Bereiche ausbilden? Inzwischen weiß man, dass das Spermium eine wichtige Rolle in diesem Prozess spielt, da der Ort der Befruchtung ganz spezifisch mit der Position einer der beiden Regionen übereinstimmt. Das Sperma des Wurms ist relativ einfach aufgebaut und beinhaltet zwei für die Entwicklung des Embryos bedeutsame Teile: den Zellkern, und damit die väterlichen Gene, und das Zentrosom, eine zierliche Fass-ähnliche Struktur, die später dazu dient, die meisten der Bestandteile in der Zelle zu organisieren. Da sich bei Mutanten, denen der Kern des Spermiums fehlt, die Vorder-Hinter-Achse normal ausbildet, vermutet man, dass das Zentrosom der Hautbeitrag des Spermiums zur räumlichen Organisation des Embryos ist. Carrie Cowan und Tony Hyman vom Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik haben diese Vermutung nun überprüft. Sie benutzten einen genau definierten Laserstrahl, um das Zentrosom zu zerstören, bevor sich die Körperachsen im einzelligen Embryo von C. elegans ausbilden konnten. In diesem Fall bildeten sich die Achsen gar nicht aus, und die Zelle zeigte typische Eigenschaften nur einer der Regionen, nämlich des Vorderpols.

Als die Forscher im Embryo des Wurms in Echtzeit beobachteten, wie sich die Regionen herausbilden, wurde klar, dass sich die hintere normalerweise von der Stelle aus entwickelt, wo sich eigentlich das Zentrosom in der Zelle befindet. Mit einem Laser zerstörten die Wissenschaftler daraufhin das Zentrosom während und nach der Ausbildung der hinteren Region. Doch das Fehlen des Zentrosoms hatte keinerlei Wirkungen auf die Ausbreitung beziehungsweise den Erhalt der beiden Regionen. Folglich scheint die Herausbildung der ersten Körperachse durch ein vorübergehendes räumliches Signal diktiert zu werden, das vom Zentrosom ausgeht.


Organisationstalent Zentrosom


Bisher ist das Zentrosom bekannt als das Organisationszentrum des Mikrotubuli-Netzwerkes, des so genannten Spindelapparats der Zelle. Die Mikrotubuli-Spindeln organisieren wiederum die meisten der Zellbestandteile. Die Forscher testeten nun, ob diese Funktion tatsächlich für die Ausbildung der beiden Regionen erforderlich ist. Doch die genetische beziehungsweise chemische Eliminierung der Mikrotubuli aus dem einzelligen Embryo von C. elegans hatte keinerlei Folgen auf die Ausbildung der Körperachse. Die Funktion des Zentrosoms in der Entwicklung der Körperachsen scheint also unabhängig zu sein von seiner sonstigen Rolle als Organisationszentrum der Mikrotubuli. Das bedeutet, dass Zentrosome über eine von den Mikrotubuli unabhängige Funktion verfügen, räumliche Signale abzugeben, die Zellen dazu bringen, funktional unterschiedliche Regionen zu bilden.
(Max-Planck-Gesellschaft, 09.09.2004 - ESC)
 
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