Während der Entwicklung eines Embryos wird die Bildung der Organe durch die Signalkommunikation zwischen Zellen gesteuert. Jetzt haben Entwicklungsgenetiker ein Signalsystem entdeckt, das Fehlentwicklungen durch selbstregulierende Rückkopplungsschleifen verhindern kann. Ihre Studie wird in der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsmagazins „Science“ veröffentlicht.
Bei der Embryonalentwicklung sorgen Signalaustausche zwischen Zellen dafür, dass sich die verschiedenen Gewebe – zum Beispiel Knochen, Sehnen und Muskeln in Extremitäten – zur richtigen Zeit und am richtigen Ort zu funktionierenden Geweben und Organen organisieren. Alle Embryonen, auch die des Menschen, haben während ihrer Entwicklung die erstaunliche Fähigkeit, Abweichungen von der Norm zu korrigieren. Embryonen können durch diese Selbstregulation auch bestimmte Variationen während der späteren Organ- und Gewebeentwicklung ausgleichen. Obwohl dies seit Langem experimentell nachgewiesen ist, blieben die molekularen Grundlagen bis jetzt mehrheitlich im Dunkeln.
Entwicklungsgenetikern der Universität Basel ist es nun zusammen mit Kollegen der ETH Lausanne und des Texas A&M Health Science Center in Houston (USA) gelungen, eines dieser selbstregulativen Signalsysteme, das die Entwicklung von Armen und Beinen im Embryo steuert, zu entschlüsseln und im Detail zu studieren. Sie analysierten dazu genetisch veränderte Mäuseembryonen und führten computergestützte mathematische Simulationen durch.
Rückgekoppeltes Signalsystem
Dabei entdeckten die Wissenschaftler molekulare Interaktionen, bei denen mehrere Signalpfade im Embryo durch Rückkopplungsschleifen zu einem System verknüpft werden. Dieses kompensiert Variationen in einem bestimmten Signal durch entsprechende Veränderungen in allen beteiligten Signalpfaden. Die zentrale Rolle in diesem System spielt unerwarteterweise ein so genannter Signalantagonist, der von den Zellen, die Signale empfangen, produziert wird, um übermässige oder zu lange Signalaktivitäten zu regulieren.
Die Verknüpfung von mehreren Rückkopplungsschleifen beeinflusst das Senden und den Empfang von Signalen so, dass die Ausbildung der Extremitätenknospen zeitlich und räumlich korrekt abläuft. Wenn jedoch die Fähigkeit zur Selbstregulation genetisch unterbrochen wird, führt dies zu Missbildungen, wie es die Forscher aufgrund der mathematischen Simulationen erwartet hatten. Das bessere Verständnis dieser komplexen Signalsysteme und ihres selbstregulativen Potenzials wird längerfristig nicht nur das Wissen über embryonale Entwicklungsmechanismen erweitern, sondern auch neue Strategien für Stammzelltherapien und Gewebereparatur aufzeigen.
(Universität Basel, 24.02.2009 – NPO)
