Warum ist das Äußere unseres Körpers symmetrisch, die inneren Organe aber nicht? Die Frage nach dem Mechanismus, der diese Anordnungen steuert, gehört zu den größten Rätseln der Entwicklungsbiologie. Jetzt berichten amerikanische Wissenschaftler in der Zeitschrift Nature von der Entdeckung eines entscheidenden Schrittes.
„Auf der Außenseite sieht der menschliche Körper sehr symmetrisch aus“, erklärt Yasuhiko Kawakami, Hauptautor der Studie und Forscher am Belmonte’s Gene Expression Laboratory. „Aber im Körperinneren ist das Muster der Organe unsymmetrisch. Wir haben zum Beispiel nicht zwei Mägen, einen auf der rechten und einen auf der linke Seite. Wir haben einen, der auf der linken Seite liegt.“
Wie diese Unterschiede zwischen Außen und Innen entstehen, fanden die Forscher mithilfe von Zebrafischen, die häufig als Modell für die menschliche Entwicklung dienen, heraus.
Juan-Carlos Belmonte und seine Kollegen von Salk Institute entdeckten, dass Vitamin A den Einfluss von Asymmetrie-Faktoren auf bestimmte Stammzellen im frühen Embryo abpuffern. Dadurch entstehen aus ihnen symmetrische Strukturen. Ohne Vitamin A würde sich auch das Äußere unseres Körpers asymmetrisch entwickeln – mit der Folge, dass unsere rechte Seite beispielsweise kürzer wäre als unsere Linke.
Frühe Entscheidung über Symmetrie
Eine komplexe Signalkaskade trägt dazu bei, die dreidimensionale Körperform des Zebrafischs, aber auch des menschlichen Körpers zu bilden. Die Ausformung des Körpers geschieht entlang dreier Achsen: Von Kopf zu den Füßen, vorne – hinten sowie links – rechts. Die neuen Ergebnisse zeigen, wie die Entwicklung sowohl der Vorne-Hinten als auch der Links-Rechts-Achsen durch Vitamin A koordiniert wird.
Vitamin A oder Retinolsäure wirkt in der Phase der Entwicklung, in der Stammzellen in die Kernregion des Embryos einwandern und beginnen, die drei Hauptzell-Lagen zu bilden, aus denen später das Gehirn und Nervensystem, der Verdauungstrakt und die anderen Gewebe des Körpers werden. Zellen in der Umgebung dieses Kerns erhalten dabei den Befehl, sich unterschiedlich zu verhalten, je nach dem ob sie auf der rechten oder linken Seite liegen.
Der Einfluss des Vitamin A sorgt aber dafür, dass einige dieser Zellen diesen Befehl ignorieren und sich symmetrisch weiter entwickeln. Blockierten die Forscher diesen Signalweg, hatte dies eine ungleichmäßige Verteilung von Geweben auf der rechten und linken Körperseite zur Folge – darunter auch diejenigen, aus denen sich symmetrische Strukturen wie die Wirbelsäule und Extremitäten entwickeln.
Die „Tür“ zur Differenzierung
Belmonte vergleicht den Kern mit einer Tür: “Bevor die Stammzellen den Kern erreichen, haben sie keine Orientierung und sind nicht in spezialisierte Gewebe differenziert, wie Herz- oder Gehirnzellen.“ Einmal durch diese Tür getreten, erhalten sie ihre „Marschbefehle“, sie „wissen“ jetzt, wo sie sich im entwickelnden Organismus platzieren und zu was sie sich differenzieren sollen.
Als geradezu “paradox” beschreiben die Salk-Forscher die Signalwirkung des Vitamin A in dem einförmigen Zellball des frühen Embryo, da es sowohl die asymmetrische Annordnung der Organe und Gewebe im Inneren des Embryo als auch die symmetrische Form des Äußeren beeinflusst.
Erkenntnisse wichtig für Stammzellforschung
Die neuen Ergebnisse geben nicht nur einen weiteren Einblick in die frühe Embryonalentwicklung des Embryos, sie könnten auch wichtige Erkenntnisse für die Entwicklung von Stammzell-basierten Therapien. Wie Angel Raya, Koautor des Artikels erklärt, müssen die Stammzellen für solche Therapien dazu gebracht werden, zu spezifischen Zellen zu werden, wie beispielsweise Herzzellen. „Sie müssen auch über ihre Orientierung im Körper im Körper ‚instruiert’ werden. Nur durch das Studium des Verhaltens der Stammzellen im Embryo werden wir verstehen können, wie diese Zellen dazu gebracht werden, spezifische Zelltypen zu bilden, die miteinander interagieren. um Strukturen mit der korrekten Morphologie und Funktion entstehen zu lassen.“
(Salk Institute, 13.05.2005 – NPO)
