Lange dachte man, dass bei der ersten embryonalen Zellteilung nur eine Spindel für die Auftrennung aller Chromosomen des Embryos in zwei Zellen verantwortlich ist. EMBL-Wissenschaftler zeigen nun, dass es tatsächlich aber zwei Spindeln gibt, eine für jeden elterlichen Chromosomensatz; das bedeutet, dass die genetischen Informationen von Mutter und Vater während der ersten Teilung getrennt gehalten werden. Science veröffentlicht die Ergebnisse, die ein Umschreiben der Biologielehrbücher zur Folge haben dürften, am 12. Juli 2018.

Die Bildung der Doppelspindel könnte einen Teil der hohen Fehlerrate in den frühen Entwicklungsstadien während der ersten Zellteilungen von Säugetieren erklären. „Ziel dieses Projekts war es, herauszufinden, warum bei den ersten Teilungen so viele Fehler passieren“, sagt Jan Ellenberg, der Gruppenleiter am EMBL, der das Projekt leitete. „Wir wussten bereits, dass bei einfacheren Tieren wie Insekten zwei Spindeln gebildet werden, hätten aber niemals vermutet, dass dies auch bei Säugetieren wie Mäusen der Fall ist. Dieses Ergebnis war eine große Überraschung für uns und zeigt, dass man immer auf das Unerwartete vorbereitet sein sollte.“

Auflösung eines 20 Jahre alten Rätsels
Wissenschaftler hatten schon lange beobachtet, dass die elterlichen Chromosomen sich in den runden Zellkernen zweizelliger Embryonen wie zwei Halbmonde anordnen, doch niemand wusste eine Erklärung dafür. „Anfangs haben wir die Bewegungen der elterlichen Chromosomen verfolgt, wir konnten aber keine Ursache für diese Verteilung finden“, erklärt Judith Reichmann, Wissenschaftlerin in der Ellenberg-Gruppe am EMBL und Erstautorin des Artikels. „Erst, als wir unsere Aufmerksamkeit auf die Mikrotubuli – die dynamischen Strukturen, aus denen die Spindeln bestehen – richteten, konnten wir zum ersten Mal die Doppelspindeln sehen. Damit konnten wir eine Erklärung für dieses 20 Jahre alte Rätsel liefern.“

Neue molekulare Zielstrukturen
„Die Doppelspindeln liefern einen bisher unbekannten Mechanismus – und damit eine mögliche Erklärung – für einen der Fehler, die wir bei den ersten Teilungen von Säugetierembryonen beobachten“, erklärt Ellenberg. Solche Fehler können zu mehrkernigen Zellen und dadurch zum Abbruch der Entwicklung des Embryos führen. „Jetzt haben wir einen bisher unbekannten Mechanismus, den wir untersuchen können, um neue molekulare Zielstrukturen zu identifizieren. Es wird in Zukunft auch wichtig sein herauszufinden, ob dieser Prozess beim Menschen genauso abläuft. Dadurch könnte man zum Beispiel wertvolle Informationen für die zukünftige Forschung zur Verbesserung der Behandlung der Unfruchtbarkeit beim Menschen erhalten.“

Wann beginnt das Leben?
Darüber hinaus könnten die Erkenntnisse dieser Arbeit Auswirkungen auf Gesetzestexte haben. Nach der Rechtsauffassung in einigen Ländern beginnt das menschliche Leben – und damit sein Schutz – mit der Verschmelzung des mütterlichen und des väterlichen Zellkerns nach der Befruchtung. Sollte die Doppelspindelbildung beim Menschen ähnlich ablaufen wie in Mäusen, wäre diese Definition nicht mehr ganz richtig. Die Bildung eines gemeinsamen Zellkerns fände dann erst nach der ersten Zellteilung statt.

Erst jetzt möglich
Diese Entdeckung wäre ohne die Lichtblattmikroskopie nicht möglich gewesen. Diese Technologie wurde in der Gruppe um Jan Ellenberg und Lars Hufnagel am EMBL weiterentwickelt und ist inzwischen über das EMBL-Spin-off-Unternehmen Luxendo erhältlich. Mithilfe dieses Verfahrens lassen sich die frühen Entwicklungsstadien, in denen Embryonen sehr lichtempfindlich sind und durch herkömmliche lichtmikroskopische Methoden geschädigt würden, in Echtzeit und 3D beobachten. Die sehr kurze und räumliche präzise Beleuchtung in der Lichtblattmikroskopie verringert drastisch die Lichtenergie, mit der der Embryo untersucht wird, und ermöglichte damit eine detaillierte Untersuchung dieser bislang verborgenen Vorgänge.

Video: https://youtu.be/TkJPbmXIIL0

Publikation:
Reichmann, J. et al. Dual spindle formation in zygotes keeps parental genomes apart in early mammalian embryos. Science, online veröffentlicht am 12 Juli 2018.

Förderung:
Diese Arbeit wurde durch das Advanced Grant des ERC „Corema“ (Finanzhilfevereinbarung 694236) an J.E. sowie vom Europäischen Laboratorium für Molekularbiologie (alle Autoren) unterstützt. Außerdem wurde J.R. durch das EMBL Interdisciplinary Postdoc Programme (EIPOD) im Rahmen der Marie-Curie-Maßnahmen COFUND; M.E. durch ein Langzeit-Postdoc-Stipendium der EMBO und ein Marie Sklodowska-Curie-Postdoc-Stipendium der Europäischen Kommission; I.S. durch ein Doktorandenstipendium des Boehringer Ingelheim Fonds und M.J.R. durch ein Humboldt-Forschungsstipendium für Postdoktoranden unterstützt.