30.03.2017

Wie Zellen sich nach der Befruchtung neu organisieren

Nach der Befruchtung legen Ei- und Samenzelle die elterlichen Ablesemuster der DNA ab und organisieren sich zur Ausgangszelle für ein neues Individuum. Diesen Prozess konnten Molekularbiolog/innen der ÖAW erstmals Schritt für Schritt beobachten. Darüber berichten sie nun im Fachjournal „Nature“.

Jeder Mensch beginnt ganz klein – als einzelne Zelle, ausgestattet mit einem Informationspaket von Mutter und Vater. Dass zu diesem Zweck Ei- und Samenzelle verschmelzen, ist nichts Neues. Wie aber der genetische Informationsfluss von den Eltern zum Kind tatsächlich organisiert wird, lag bislang im Dunkeln. Forscher/innen des IMBA – Institut für Molekulare Biotechnologie der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) konnten in Zusammenarbeit mit internationalen Kolleg/innen nun erstmals visualisieren, wie sich mütterliche und väterliche DNA unmittelbar nach der Befruchtung verhalten.

Komplexer Vorgang in der Zelle

Der Prozess nach der Befruchtung hat sich in der Forschung als sehr komplex herausgestellt. Eigentlich nicht verwunderlich – sind doch Ei- und Samenzelle zwei völlig unterschiedliche Zelltypen, die für ihre Funktion auch „alte Vorschriften“, in Form von bestimmten Proteinstrukturen mitschleppen, die das neue Individuum nicht braucht.

Johanna Gassler, Doktorandin am IMBA der ÖAW und eine Erstautorin der Studie, sowie Kikuë Tachibana-Konwalski, Letztautorin und IMBA-Gruppenleiterin, konnten im Rahmen einer internationalen Kooperation mit dem Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Boston und der Lomonossow-Universität Moskau, den Vorgang der Befruchtung bei Mäusen genauer beobachten: Wenn Ei- und Samenzelle zur sogenannten Zygote verschmelzen, müssen sie ihre jeweiligen „Verpackungen“ ablegen und anschließend eine gemeinsame Verpackung aufbauen.

Diese Verpackung, die aus speziellen Proteinen besteht und in Kombination mit der DNA „Chromatin“ genannt wird, reguliert, welche DNA-Abschnitte wann abgelesen werden sollen. Sie unterscheidet sich in Ei- bzw. Spermienzelle ganz grundlegend. Mit neuesten Sequenziermethoden, Bioinformatik und mathematischen Modellen zur Darstellung von Proteinen konnten die Wissenschaftler/innen die speziellen Muster erkennen, die bei der Neu-Ausrichtung der beiden Chromatin-Pakete entstehen.

Männliches und weibliches Erbgut organisiert sich unterschiedlich

„Tatsächlich konnten wir nachweisen, dass sich – unmittelbar nach der Befruchtung – mütterliches und väterliches Chromatin sehr unterschiedlich verhalten“, erklärt ÖAW-Forscherin Johanna Gassler. „Väterliches Chromatin scheint sich schneller zu organisieren, als das mütterliche. Außerdem konnten wir feststellen, dass die Neuausrichtung des Chromatins der Zygote vor der allerersten Zellteilung ein Prozess ist, der einmalig im Zuge der Befruchtung vorkommt.“ Dennoch bergen die Erkenntnisse aus diesem für die Weitergabe des Lebens so einzigartigen Prozess auch Einsichten in zelluläre Prozesse, die bei jeder Zellteilung vorkommen. Denn auch dort muss sich das Chromatin neu, wenngleich weniger spektakulär, organisieren.

Eine Vielzahl an Teilungsprozessen ist schließlich für den Aufbau eines neuen Individuums notwendig. Die Zellen differenzieren sich, was bedeutet, dass im Alltag nur noch ausgewählte DNA-Abschnitte abgelesen werden müssen. Ein Rest an undifferenzierten Zellen bleibt, auf den die Medizin für regenerative Therapien Hoffnungen setzt: die Stammzellen.

„Nicht nur im Bereich der Reproduktionsmedizin bringen uns neue Erkenntnisse über Ei-und Samenzelle weiter. In der Zygote werden gleich zwei verschiedene Chromatin-Strukturen sehr effizient umprogrammiert. Von dieser ‚Super-Stammzelle‘ kann man erstaunlich viel lernen, und diese Erkenntnisse könnten in Zukunft etwa im Bereich der Regenerationsmedizin Anwendung finden“, hofft Molekularbiologin Tachibana-Konwalski.