Warum wandern Zellen gemeinsam in die gleiche Richtung?

Wenn Zellen migrieren, handeln sie im Kollektiv. Drosophila-Eier rotieren deshalb zum Beispiel. Hier sieht man eine 3D-Rekonstruktion von rotierenden Drosophila-Eiern.
© Sven Bogdan

Projekttitel: Rotational motion in epithelial morphogenesis: Analysis of conserved molecular mechanisms
Projektleitung: Sven Bogdan, Klaus Ebnet
Projektlaufzeit: 07/2016 - 06/2018
Projektkennziffer: FF-2016-01

Wenn sich Zellen bewegen, handeln sie im Verbund. Ein solches kollektives Zellmigrationsverhalten lässt sich auch bei Follikelzellen der Fruchtfliege Drosophila im sich entwickelnden Fliegen-Ei beobachten. Dieses Wandern im Kollektiv führt zu Rotationsbewegungen entlang der späteren Körperachse. Das Ei dreht sich entweder nach links oder rechts. Doch was koordiniert die Zellen? Wie schaffen sie es, sich immer gemeinsam nach links oder rechts zu drehen? Und warum ist die Rotation in der frühen Ei-Entwicklung wichtig? Bis heute versteht man die Mechanismen nicht, die dahinterstecken. In diesem CiM-Projekt wollen die Forschungsgruppen der Biologen Prof. Dr. Sven Bogdan und Prof. Dr. Klaus Ebnet die Rotationsbewegung und die zugrunde liegende kollektive Zellmigration genauer verstehen. Ihre Vermutung: Es gibt einen grundlegenden, evolutionär bedingten Mechanismus, wie Zellen im Verbund migrieren und derartige Rotationsbewegungen kontrollieren. Denn die Forscher haben unabhängig voneinander beobachtet, dass sich Zellen in zwei vollständig unterschiedlichen Situationen gleich verhalten: Zellen in künstlich generierten Hohlräumen, zum Beispiel Zysten, rotieren ebenso wie Eier während der frühen Oogenese der Fruchtfliege Drosophila.

Sven Bogdan forscht mithilfe der Drosophila. Er hat bereits konservierte Proteine entdeckt, die die Rotationsbewegung von Fruchtfliegen-Eiern regulieren, die sich gerade entwickeln. Beim Reifungsprozess drehen sich Eier in einer Eikammer, und zwar immer senkrecht zur Längsachse. Dabei spielt es keine Rolle, ob sie sich links oder rechts herum drehen. Entscheidend ist lediglich, dass sich die Eier drehen. Denn auf diese Weise entsteht durch Follikelzellen, die die Eikammer umschließen, eine extrazelluläre, polarisierte Matrix. Diese Matrix ist eine Proteinstruktur, die die Zellen umgibt. Sie fungiert wie ein Korsett und bringt das ursprünglich runde Ei in die typische ovale Ei-Form. Bleiben die Eier rund, ist die Fruchtfliege unfruchtbar (Runde-Ei-Phänotyp). Bogdans Frage ist nun: Gibt es einen ähnlichen Prozess auch bei Säugern?

Hier kommt die Forschungsgruppe von Klaus Ebnet ins Spiel. Sie bildet in einer Petrischale mit menschlichen Zellen eine Situation nach, die der Eikammer der Fruchtfliege ähnelt. Aus Epithelzellen der Niere oder der Brust lassen die Forscher eine Zyste entstehen, einen kugeligen Körper, in dem ein flüssigkeitsgefüllter Hohlraum von Epithelzellen umgeben ist. Ähnlich den Follikelzellen migrieren die Epithelzellen im Kollektiv und rufen eine Rotationsbewegung der gesamten Zyste hervor. Durch die Rotation bilden Epithelzellen auch in diesem Versuch ein Korsett mit Aktin- und Myosin-Filamenten ähnlich wie beim Muskel. Dieses Korsett kann sich strecken und zusammenziehen. Diese Kontraktionen von künstlich generierten Zysten sind möglicherweise ebenfalls wichtig dafür, wie sich röhrenförmige Gewebe wie Lunge und Nierenepithelien gestalten.

Sven Bogdan und Klaus Ebnet wollen im CiM-Projekt untersuchen, wie stark sich beide Prozesse ähneln oder unterscheiden, und ob ähnliche Regulatoren für die Rotationsbewegung notwendig sind. Im Vordergrund des Projekts steht ein besseres Verständnis der genauen Funktion von Rotationsbewegungen in der Gestaltbildung von Geweben während der Entwicklung.