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Wie entstehen aus Zellen Gliedmaßen?

Neue Mikroskopie-Software ermöglicht genaue Zellbeobachtung

07.05.2018

Urheber: Anastasios Pavlopoulos und Carsten Wolff

3D-Rekonstruktionen eines Embryos in seitlicher Ansicht und dem Kopf auf der linken Seite. Die farblich hervorgehobenen Bereiche zeigen, wie sich aus einigen wenigen Zellen Beine herausbilden.

Während der Entwicklung eines vielzelligen Organismus entsteht aus einer einzigen Zelle eine Reihe unterschiedlicher Zelltypen, die sich wiederum zu verschiedenen Geweben und Organen organisieren. Seit mehr als einem Jahrhundert bemühen sich Biologen darum, die Entwicklungsgeschichte (auch als Zellschicksal bezeichnet) der verschiedenen Strukturen in sich entwickelnden Organismen zu verstehen: Zum Beispiel, durch welche Zellen entstehen Augen oder Gliedmaßen? Wie verändern diese Zellen in der Entwicklung ihr Verhalten, um letztlich die Form und Funktion des Organs zu realisieren?

Solche Fragen zu beantworten war bislang äußerst schwierig, denn eine direkte Beobachtung von sich entwickelnden Embryonen auf zellulärem Niveau stellt eine große Herausforderung dar. Mit einem neuen Ansatz untersuchte ein multinationales und multidisziplinäres Team mit Wissenschaftlern der Humboldt-Universität zu Berlin, des Max-Planck-Instituts für Molekulare Zellbiologie und Genetik (Dresden), des HHMI Janelia Forschungscampus (USA), des Max-Delbrück-Centrums für Molekulare Medizin (Berlin) und dem Pasteur-Institut (Frankreich) die Dynamik und das Verhalten von Zellen während der Entwicklung von Gliedmaßen.

Dazu schaute sich das Forscherteam die Entwicklung des marinen Krebses Parhyale hawaiensis näher an. Er hat entlang seiner Körperachse eine Reihe spezialisierter Gliedmaßen entwickelt – ähnlich einem lebenden Schweizer Taschenmesser. Mittels der hochmodernen Lichtscheibenfluoreszenzmikroskopie konnte die gesamte Embryonalentwicklung von Embryonen mit fluoreszenzmarkierten Zellkernen aufgenommen werden. Dabei wurde Embryo aus verschiedenen Blickwinkeln in hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung aufgenommen.

Beobachtung kann Aufschlüsse über Fehlbildungen geben

Mit diesen komplexen und mehrdimensionalen mikroskopischen Aufnahmen standen die Forscher vor der Herausforderung, die biologisch relevanten Informationen aus diesen riesigen Datensätzen zu extrahieren. Dafür entwickelten sie eine spezielle Software namens Massive Multi-View Tracker (MaMuT), die als FIJI Plug-In frei verfügbar ist. Diese Kombination von Mikroskopie und Software ermöglichte es den Wissenschaftlern alle Zellen eines Beines über mehrere Tage in der Entwicklung zu verfolgen.

Dabei wurden morphogenetische Verhaltensmuster der Zellen entdeckt, die zur zellulären Organisation und zum Auswachsen eines Beines beitragen. Dieser neue Weg, die Entwicklung von mehrzelligen Organismen zu untersuchen, wird in Zukunft dazu beitragen, die zellulären und molekularen Mechanismen, die das Schicksal von Zellen während der Entwicklung eines Organismus bestimmen, aufzudecken. Es wird sicherlich auch dabei helfen, die Ursachen von Fehlbildungen während der Entwicklung erklären zu können.

Originalveröffentlichung:

Carsten Wolff et al.; "Multi-view light-sheet imaging and tracking with the MaMuT software reveals the cell lineage of a direct developing arthropod limb"; eLife; 2018;7:e34410

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