Ein neuer Mechanismus zur Formung tierischen Gewebes

Eine zentrale Frage, die sich in der Biologie und Biophysik stellt, ist, wie Gewebe während der Tierentwicklung dreidimensional erscheint. Forschungsteams des Max-Planck-Instituts für molekulare Zellbiologie und Genetik (MPI-CBG) in Dresden, des Exzellenzclusters Physics of Life (PoL) der TU Dresden und des Zentrums für Systembiologie Dresden (CSBD) haben einen Mechanismus entdeckt Dadurch kann Gewebe so „programmiert“ werden, dass es sich von einem flachen Zustand in eine dreidimensionale Form bewegt.

Um dies zu erreichen, untersuchten die Forscher die Entwicklung der Fruchtfliege Drosophila und ihres Flügelbeutels, der sich von einer flachen Kuppelform zu einer gebogenen Falte verändert und später zum Flügel einer erwachsenen Fliege wird. Die Forscher entwickelten eine Methode, um dreidimensionale Formänderungen zu messen und das Verhalten von Zellen während dieses Prozesses zu analysieren. Mithilfe eines auf Formprogrammierung basierenden physikalischen Modells entdeckten sie, dass Zellbewegungen und -umlagerungen eine Schlüsselrolle bei der Gewebebildung spielen.

Diese Studie, veröffentlicht in Wissenschaftliche Fortschrittezeigt, dass die Formprogrammierungsmethode eine gängige Methode sein könnte, um zu zeigen, wie sich Gewebe bei Tieren bilden.

Epithelgewebe sind Schichten eng verbundener Zellen und bilden die Grundstruktur vieler Organe. Um funktionsfähige Organe zu schaffen, verändern Gewebe ihre Form in drei Dimensionen. Obwohl einige Mechanismen, die dreidimensionalen Formen zugrunde liegen, erforscht wurden, reichen sie nicht aus, um die Formenvielfalt in tierischen Geweben zu erklären.

Beispielsweise verändert sich der Flügel während eines Entwicklungsprozesses, der bei einer Fruchtfliege als Flügelscheibenumstülpung bezeichnet wird, von einer einzelnen Zellschicht in eine Doppelschicht. Es ist unklar, wie die Flügelscheibentasche diese Formänderung von einer radialsymmetrischen Kuppel zu einer gekrümmten, gefalteten Form durchläuft.

Die Forschungsgruppen von Carl Modes, Gruppenleiter am MPI-CBG und CSBD, und Natalie Dye, Gruppenleiterin am PoL und zuvor am MPI-CBG tätig, wollten herausfinden, wie diese Formänderung zustande kommt.

„Um diesen Prozess zu erklären, haben wir uns von Schichten aus ‚formprogrammierbaren‘ unbelebten Materialien inspirieren lassen, etwa dünnen Hydrogelen, die sich bei Stimulation durch innere Zwänge in dreidimensionale Formen verwandeln können“, sagt Dye.

„Diese Materialien können ihre innere Struktur über die gesamte Oberfläche der Platte kontrolliert verändern und so spezifische dreidimensionale Formen erzeugen. Dieses Konzept hat uns bereits geholfen zu verstehen, wie Pflanzen wachsen. Tierische Gewebe hingegen sind dynamischer und die Zellen verändern ihre Form, Größe und Position. »

Um herauszufinden, ob Formprogrammierung ein Mechanismus zum Verständnis der Tierentwicklung sein könnte, haben die Forscher Veränderungen in der Gewebeform und im Zellverhalten während der Umstülpung der Flügelscheibe von Drosophila gemessen, wenn sich die Form der Kuppel in eine gekrümmte Faltenform verwandelt.

„Anhand eines physikalischen Modells haben wir gezeigt, dass programmierte kollektive zelluläre Verhaltensweisen ausreichen, um die in der Flügelscheibentasche beobachteten Formänderungen hervorzurufen. „Das bedeutet, dass äußere Kräfte aus dem umliegenden Gewebe nicht notwendig sind und zelluläre Umlagerungen der Haupttreiber für die Veränderung der Taschenform sind“, erklärt Jana Fuhrmann, Postdoktorandin in Dyes Forschungsgruppe.

Um zu bestätigen, dass reorganisierte Zellen der Hauptgrund für die Beutelumstülpung sind, testeten die Forscher dieses Phänomen, indem sie die Zellbewegung reduzierten, was wiederum zu Problemen beim Gewebeformungsprozess führte.

Abhijeet Krishna, zum Zeitpunkt der Studie Doktorand in der Modes-Gruppe, erklärt: „Die neuen Formprogrammierbarkeitsmodelle, die wir entwickelt haben, sind mit verschiedenen Arten zellulären Verhaltens verknüpft. Diese Modelle berücksichtigen sowohl gleichmäßige als auch richtungsabhängige Effekte. Obwohl es früher Formprogrammierbarkeitsmodelle gab, berücksichtigten diese jeweils nur eine Art von Effekt. Unsere Modelle kombinieren die beiden Arten von Effekten und verknüpfen sie direkt mit zellulärem Verhalten. »

Dye und Modes kommen zu dem Schluss: „Wir haben herausgefunden, dass interner Stress, der durch aktives zelluläres Verhalten verursacht wird, die Tasche der Flügelscheibe von Drosophila während der Eversion formt. Mit unserer neuen Methode und einem theoretischen Rahmen, der aus programmierbaren Formmaterialien abgeleitet wurde, konnten wir Zellmuster auf jeder Gewebeoberfläche messen. Diese Werkzeuge helfen uns zu verstehen, wie tierisches Gewebe seine Form und Größe in drei Dimensionen verändert.

„Insgesamt legt unsere Arbeit nahe, dass frühe mechanische Signale dabei helfen, das Zellverhalten zu organisieren, was anschließend zu Veränderungen der Gewebeform führt. Unsere Arbeit veranschaulicht Prinzipien, die umfassender genutzt werden könnten, um andere Prozesse der Gewebestrukturierung besser zu verstehen. »