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Jahrbuch 2007/2008 | Dietrich, Jens-Erik; Hiiragi, Takashi | Vom Ei zum Embryo: Die erste W eiche stellt der
Zufall
Vom Ei zum Embryo: Die erste Weiche stellt der Zufall
From egg to embryo: the first switch is set by chance
Dietrich, Jens-Erik; Hiiragi, Takashi
Max-Planck-Institut für molekulare Biomedizin, Münster
Korrespondierender Autor
E-Mail: [email protected]
Zusammenfassung
Die Natur hat es Säugern nicht leicht gemacht. Zw ar gehen sie w ie jedes W irbeltier aus einer befruchteten
Eizelle hervor. Doch anders als bei Fisch oder Frosch kann der Embryo allein nicht gedeihen. Nur w enn es ihm
nach w enigen Teilungen gelingt, sich mit seinen äußeren Zellen in der Gebärmutter einzunisten, w ächst aus
den inneren ein Fötus heran. Lange w ar unklar, w ann die Embryo-Zellen erstmals verschiedene Wege
einschlagen. Forscher des MPI für molekulare Biomedizin sind der Antw ort jedoch ein gutes Stück näher
gekommen.
Summary
Nature hasn’t made things easy for mammals. Admittedly, as any other vertebrate – they develop from a
fertilised egg, but unlike fish or frogs, the embryo cannot prosper by itself. Only if it succeeds, after having
divided a couple of times, in implanting w ith its outer cells in the w omb, its inner cells w ill create a foetus. It
has long been unclear as to w hen and how the cells of an embryo pursue various lineages. Scientists of the
MPI for Molecular Biomedicine in Münster have now advanced a great deal tow ards unravelling this mystery.
Einleitung
Der Start ins Leben eines Menschen beginnt mit einer Verschmelzung: Kurz nachdem ein Spermium in eine
reife Eizelle eingedrungen ist, treffen die Chromosomen von Ei- und Samenzelle aufeinander. Etw a 30 Stunden
danach teilt sich die befruchtete Eizelle zum ersten Mal – ein Vorgang, der sich von nun an etw a alle 20
Stunden w iederholt. Aus zw ei w erden vier, acht und schließlich 16 Zellen ( Abb. 1). Noch ist die Zellkugel
gegenüber der Eizelle, die gerade einmal einen Zehntelmillimeter misst, kaum gew achsen. Doch drei bis vier
Tage nach der Befruchtung erreicht der Embryo die Gebärmutter: Ein Flüssigkeitsstrom sow ie Härchen im
Eileiter haben ihn dorthin befördert.
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Vom Ei zum Em bryo: Be vor sich e ine be fruchte te Eize lle (1.
Bild von link s) in die Ge bä rm utte r e inniste n k a nn, m uss sie
sich m e hrfa ch te ile n (2. Bild von link s: 2-Ze ll-Sta dium ; 3.
Bild: 4-Ze ll-Sta dium , 4. Bild: 8-Ze ll-Sta dium ) und e ine
cha ra k te ristische Hohlk uge l bilde n (re chte s Bild). Be i de r Ma us
– wie hie r ge ze igt – ist die so ge na nnte Bla stozyste binne n
vie re inha lb Ta ge n na ch de r Be fruchtung zur Im pla nta tion
be re it.
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In diesem Stadium kommt Bew egung in die Kugel: Flüssigkeit dringt in ihr Inneres und drückt die EmbryoZellen auseinander. Der Embryo heißt nun Blastozyste und besteht schon aus etw a 64 Zellen. Sie w erden
flacher und kompakter und bilden schließlich eine
Hohlkugel aus
zw ei Zellschichten: dem äußeren
Trophoblasten und dem inneren Embryoblasten. Damit hat sich im Embryo die erste entscheidende
Weichenstellung vollzogen. Zumindest grob sind jetzt schon die Aufgaben unter den Zellen verteilt [1]: aus
dem Trophoblasten w ird die äußere Embryonalhülle und später ein Teil des Mutterkuchens (Plazenta), der den
Keim umgibt und ihn mit Sauerstoff und Nährstoffen versorgt, und aus einem Teil der inneren Zellen, von
denen sich embryonale Stammzellen ableiten lassen, entw ickelt sich das Kind. Diese Zellen verfügen über eine
faszinierende Eigenschaft namens Pluripotenz – die Fähigkeit, jeden der mehr als 200 verschiedenen Zelltypen
des Körpers zu bilden.
Nach etw a fünf Tagen besteht die Blastozyste aus gut 100 Zellen. Um w eiter w achsen und gedeihen zu
können, muss sie sich in der Gebärmutter, dem Uterus, einnisten und Kontakt mit dem Blutkreislauf der Mutter
aufnehmen. Dazu sondern die Trophoblast-Zellen Enzyme ab, die einige Zellen in der obersten Schicht der
Gebärmutterschleimhaut auflösen. Der Embryo kann sich nun in das Bindegew ebe der Schleimhaut schieben.
Über ihm w achsen neue Hautzellen und schließen die „W unde“.
W ährend dieses Einnistens nimmt der Embryo Proteine, Zucker, Fette und Reste der zerstörten Schleimhaut
auf. Das hat Folgen: Sein Durchmesser w ächst auf mehr als das Doppelte. Im Trophoblasten entstehen kleine,
mit Blut gefüllte Hohlräume (Lakunen). Schließlich lösen die Zellen des Trophoblasten die mütterlichen
Blutgefäße in der Gebärmutterschleimhaut teilw eise auf. Am Ende der zw eiten Woche kann daraufhin
mütterliches Blut in die Lakunen einströmen und sie durch kleine Blutgefäße w ieder verlassen. Auf diese Weise
w ird der Embryo von nun an rund neun Monate lang von der Mutter mit allen lebensnotw endigen Ressourcen
versorgt.
Die entscheidende Schicht
Was so ausgeklügelt und perfekt abgestimmt klingt, ist tatsächlich eine Meisterleistung der Evolution. Eine
maßgebliche Rolle spielt dabei der Trophoblast, eine Struktur, die nur bei höheren Säugetieren vorkommt und
deshalb auch ein Schlüsselmerkmal dieser Tierklasse ist. Diese Zellschicht ermöglicht nicht nur die Einnistung
des Embryos in die Gebärmutter. Die Plazenta, die daraus hervorgeht, bildet auch eine immunologische
Barriere und erlaubt dadurch ein langes Heranw achsen der Nachkommen im Mutterleib.
Doch w ie entstehen die ersten Unterschiede zw ischen den Zellen? Woher w issen sie, w elche von ihnen nach
innen w andern und den Organismus und w elche die Plazenta bilden sollen? Genau diesen Fragen gehen die
Forscher der Nachw uchsgruppe von Takashi Hiiragi in Untersuchungen an befruchteten Eizellen von Mäusen
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auf den Grund. Auf den ersten Blick haben die Nager mit dem Menschen zw ar nicht allzu viel gemein. Dennoch
ähneln sich ihre Gene, Organe und Zellen so w eit, dass sich viele der daraus gew onnenen Erkenntnisse
zumindest teilw eise auch auf den Menschen übertragen lassen.
Um den Antw orten auf ihre Fragen auf die Spur zu kommen, haben Hiiragi und Jens-Erik Dietrich in zahlreichen
Experimenten analysiert, w ann die ersten Unterschiede zw ischen den Zellen im frühen Maus-Embryo
auftauchen. Zunächst haben die W issenschaftler dazu die Eigenschaften und die Position der einzelnen Zellen
im frühen Embryo im Verlauf der Zellteilungen verfolgt.
Die Menge macht’s
Dazu untersuchten Hiiragi und Dietrich, in w elchen Mengenverhältnissen drei Proteine namens Oct4, Cdx2 und
Nanog
in
den
einzelnen
Zellen
vorliegen.
Alle
drei
Faktoren
sind
als
w ichtige
Regulatoren
der
Embryonalentw icklung bekannt [2-4]. Zudem w usste man bereits, dass die Proteine im 8-Zell-Stadium, w enn
sich die befruchtete Eizelle drei Mal geteilt hat, noch in allen Zellen zu finden sind [1]. Schon w enige Teilungen
später, w enn die Blastozyste bereits aus 64 bis 128 Zellen besteht und zw ei klar unterscheidbare
Zellschichten ausgebildet hat, sind die Eiw eiße jedoch nur noch in der inneren Zellmasse (Oct4 und Nanog),
oder aber ausschließlich in den äußeren Zellen (Cdx2), dem Trophoblasten, zu finden. Diesen markanten
Unterschied machten sich die Forscher zunutze, um die molekularen Mechanismen aufzuklären, die das
Schicksal der Zellen im Embryo in den ersten Lebenstagen festlegen (Abb. 2).
Frühze itige La ge rbildung: Be i de r Entwick lung vom 16-Ze llSta dium (link s) übe r die m ittle re (Mitte ) zur spä te n
Bla stozyste (re chts) sortie re n sich die Ze lle n (rot: Ze llhülle n)
e ine s Ma us-Em bryos sche inba r von se lbst. Ge ste ue rt wird de r
Vorga ng je doch durch Ve rä nde runge n im Inne rn de r Ze lle n.
Da s ze igt de r Ve rgle ich e ine r Anfä rbung de s P rote ins C dx 2
(obe re Bildre ihe ; we iß) m it e ine r Fä rbung de s Erbm a te ria ls
DNA (unte re Bildre ihe , we iß). Zunä chst sind die C dx 2-Me nge n
in de n Ze lle n noch va ria be l. Ze lle n, die a uße n lie ge n,
e ntha lte n a be r schon e twa s m e hr C dx 2 a ls je ne we ite r inne n.
Im nä chste n Sta dium (Mitte ) bilde n nur noch je ne Ze lle n
C dx 2, die a uße n lie ge n. In de r spä te n Bla stozyste (re chts) ist
de r e rste Sortie rungsproze ss a bge schlosse n - die Ze lle n im
Inne rn de r Hohlk uge l sind nur in de r DNA-Fä rbung richtig
e rk e nnba r.
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In einem ihrer Experimente isolierten die Max-Planck-Forscher dazu einzelne Zellen aus Mausembryonen, die
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sich gerade im 8-Zell-Stadium befanden [5, 6]. Anschließend brachten die Forscher die isolierten Zellen in der
Kulturschale dazu, sich ein oder zw ei w eitere Male zu teilen. Aus einigen der Zellen gingen zw ei gleich große
Tochterzellen hervor. Sie hatten sich also symmetrisch geteilt. Die anderen Zellen dagegen hatten sich
asymmetrisch geteilt und zw ei unterschiedlich große Tochterzellen gebildet.
Ungleiche Töchter
Welcher Mechanismus darüber entscheidet, ob sich eine Zelle symmetrisch oder asymmetrisch teilt, ist unklar.
Fest steht jedoch, dass mit der asymmetrischen Teilung im Inneren der Zellen eine entscheidende
biochemische Veränderung eintritt [5]. W ie die Proteinanalysen der Forscher zeigten, enthielten zw ar
Tochterzellen – ob symmetrisch oder asymmetrisch geteilt – in etw a dieselbe Menge an Nanog. Bei den in den
Zellen enthaltenen Mengen an Cdx2 zeigte sich jedoch ein deutlicher Unterschied: Wenn sich eine Zelle
asymmetrisch geteilt hatte, fand sich in der größeren Tochterzelle stets eine höhere Konzentration an Cdx2 als
in der kleineren [6].
Zudem bildeten die Zellen, nachdem sie sich zw ei Mal in der Kulturschale geteilt hatten, Mini-Blastozysten aus
vier Zellen. Die Zellen, die außen lagen, w iesen dabei stets mehr Cdx2 auf als die inneren (Abb. 3). Die
Forscher schließen aus dieser Beobachtung, dass zunächst die Art der Zellteilung darüber entscheidet, w ie
hoch die Cdx2-Konzentation in den Zellen ist. Das Proteinmuster, das sich daraus ergibt, bestimmt
anschließend darüber, ob sich die Zelle ins Innere oder aber an die äußere Oberfläche der w achsenden
Blastozysten-Kugel bew egt.
Aus de m 8-Ze ll-Sta dium isolie rte Ze lle n te ile n sich und
orga nisie re n sich se lbst zu „Mini-Bla stozyste n“: Ze lle n m it vie l
C dx 2 (we iß, link s) orie ntie re n sich e he r a uße n. Da s P rote in
Na nog (we iß, Mitte ) be e influsst die P osition de r Ze lle n nicht.
Die R ä nde r de r e inze lne n Ze lle n sind rot a nge fä rbt. R e chts:
DNA-Fä rbung (we iß).
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Erstaunlicherw eise, so stellten die Forscher fest, ist die Anzahl der Zellen eines Embryos, die eine
asymmetrische Teilung durchlaufen, sehr variabel. Offenbar, so vermuten die Forscher, ist diese Variabilität in
der Art der Zellteilung für die Bildung der Blastozyste unerheblich. Die Prozesse, die die Proteinmuster in den
Zellen bestimmen, sind in ihrer Regulation demnach enorm flexibel.
Der Zufall stellt die Weichen
Hiiragis und Dietrichs Befunde w iderlegen damit eine von etlichen W issenschaftlern gehegte Annahme, dass in
jeder Eizelle bereits zum Zeitpunkt ihrer Befruchtung eine Teilungsachse und damit auch alle w eiteren
Teilungsschritte in ihrer Geometrie festgelegt sind [7]. Die jüngsten Ergebnisse sprechen nach Ansicht der
Münsteraner Forscher vielmehr dafür, dass die Zellen des frühen Embryos ihr jew eiliges „molekulares Profil“
nach dem Zufallsprinzip erhalten [8].
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Tatsächlich ist es damit der Zufall, der die Weichen für die gesamte w eitere Entw icklung stellt. Erst sind die
Konzentrationsunterschiede der maßgeblichen Proteine noch gering, bald w erden sie immer größer, bis am
Ende eine klare Polarität entsteht: Jene Zellen, die im Laufe der Blastozystenbildung nach außen driften,
entw ickeln sich zum Trophoblasten, der ein Teil der Plazenta w ird und nach der Geburt mit ihr untergeht [6].
Sehr interessant sind auch die embryonalen Stammzellen, die sich aus dem Inneren der Blastozyste ableiten
lassen.
Seit langem w eiß man, dass aus jeder dieser Stammzellen jeder der mehr als 200 verschiedenen Zelltypen des
Körpers hervorgehen kann. Noch ist allerdings w eitgehend ungeklärt, auf w elchen molekularen Faktoren diese
so genannte Pluripotenz beruht. Das herauszufinden, ist jedoch nicht nur für Grundlagenforscher interessant.
W ürde es zum Beispiel gelingen, ausgereifte Körperzellen w ieder gezielt in solche Alleskönner zu verw andeln,
böten sich auch enorme Chancen für die Medizin. Erstmals könnte es dann möglich w erden, bislang unheilbare
Krankheiten w ie Parkinson oder Diabetes mithilfe patienteneigener, gesunder Ersatzzellen zu behandeln.
Zell-Klau mit unklaren Folgen
Möglicherw eise geben die Untersuchungen der Münsteraner Max-Planck-Forscher aber bald auch noch
Antw orten auf eine ganz andere Frage. In vielen Ländern nehmen Reproduktionsmediziner seit Jahren im
Rahmen der künstlichen Befruchtung genetische Tests an Embryonen vor. Bei dieser so genannten
Präimplantationsdiagnostik (PID), die in Deutschland verboten ist, w ird dem w enige Tage alten Embryo im
Labor eine einzelne Zelle für die Gen-Analyse entnommen. Ergibt der Test einen ungünstigen Befund, w ird der
Keimling nicht in die Gebärmutter der Frau eingesetzt und man lässt ihn absterben. Finden sich im Erbgut des
Embryos keine Defekte, w ird er in den Uterus eingesetzt. Bisher geht man davon aus, dass der Zell-Klau dem
Embryo in der Regel nicht schadet. Denn inzw ischen w urden schon etliche PID-Kinder geboren. Sicher w issen
kann es bisher jedoch niemand. Denn verlässliche Statistiken über Fehlgeburten und fehlgeschlagene In-vitroFertilisationen gibt es bislang nicht [9].
Fraglich ist zudem, w ie es um jene Zelle steht, die für den Gentest entnommen und zur Analyse zw angsläufig
zerstört w erden muss: Bisher nämlich kann niemand w issen, ab w elchem Teilungsschritt die einzelnen Zellen
des Embryos ihre Totipotenz verlieren [9]. Darunter versteht man die Fähigkeit, in geeigneter Umgebung zu
einem kompletten Individuum heranw achsen zu können.
Mehrere Untersuchungen deuten darauf hin, dass jede der vier oder acht Zellen, die nach der zw eiten und
dritten Teilung entstanden sind, noch totipotent ist [8, 10]. Weitere Untersuchungen w ie jene von Hiiragi und
Dietrich w erden jedoch zeigen müssen, ab w ann das Schicksal der Zellen endgültig festgelegt ist.
Originalveröffentlichungen
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[1] Y . Y amanaka, A. Ralston, R. O. Stephenson, J. Rossant:
Cell and molecular regulation of the mouse blastocyst.
Developmental Dynamics 235, 2301-2314 (2006).
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[2] J. Nichols, B. Zevnik, K. Anastassiadis, H. Niwa, D. Klewe-Nebenius, I. Chambers, H. Schöler, A. Smith:
Formation of pluripotent stem cells in the mammalian embryo depends on the POU transcription factor
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[3] D. Strumpf, C. A. Mao, Y . Y amanaka, A. Ralston, K. Chawengsaksophak, F. Beck, J. Rossant:
Cdx2 is required for correct cell fate specification and differentiation of trophectoderm in the mouse
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Development 132, 2093-2102 (2005).
[4] K. Mitsui, Y . Tokuzawa, H. Itoh, K. Segawa, M. Murakami, K. Takahashi, M. Maruyama, M. Maeda, S.
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The homeoprotein Nanog is required for maintenance of pluripotency in mouse epiblast and ES cells.
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[5] M. H. Johnson, C. A. Ziomek:
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[9] PID, PND, Forschung an Embryonen.
Aufsätze, Berichte, Diskussionsbeiträge, Kommentare im Deutschen Ärzteblatt. Beiträge aus den Jahren
2000 bis 2003. 3., erweiterte Auflage der Dokumentation.
w w w .aerzteblatt.de/dossiers/embryonenforschung
[10] M. H. Johnson, J.M. McConnell:
Lineage allocation and cell polarity during mouse embryogenesis.
Seminars in Cell & Developmental Biology 15, 583-597 (2004).
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