Drosophila-Entwicklung

Molekulare Wegweiser

Auf ihrem Weg von der Eizelle zu ihrem endgültigen Platz im fertigen Organismus passieren Zellen eine Unzahl von Gabelungen. Bei jeder Abzweigung muss sich die Zelle entscheiden, welchen Weg sie einschlägt. Dabei helfen Signalproteine, die die Eizelle in Regionen unterteilen.

Der Kopf einer erwachsenen Fruchtfliege im Elektronenmikroskop. Foto: Keil
Der Kopf einer erwachsenen Fruchtfliege im Elektronenmikroskop. Foto: Keil

Selbst komplexe Organismen wie Menschen und Tiere entstehen aus einer einzigen befruchteten Eizelle. Damit diese hochkomplizierte Entwicklung zum gewünschten Ergebnis führt, muss festgelegt werden, aus welchem Teil der Eizelle später Vorder- und Hinterende, Rücken- und Bauchseite des Tieres hervorgehen. Besonders genau wurden diese Vorgänge bei der Fruchtfliege Drosophila melanogaster untersucht. Durch genetische Studien konnten die spätere Nobelpreisträgerin Christiane Nüsslein-Volhard und ihre Kollegen am Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie in Tübingen bereits in den Achziger Jahren die wichtigsten Gene identifizieren, die an diesen Entwicklungsschritten beteiligt sind. Inzwischen ist bis ins Detail geklärt, wie die Entwicklung von der Eizelle zur Fruchtfliege gesteuert wird:

Nur das spätere Kopfende des Drosophila Embryos enthält Bicoid-mRNA (Foto: F. Schnorrer, MPI für Entwicklungbiologie).
Nur das spätere Kopfende des Drosophila Embryos enthält Bicoid-mRNA (Foto: F. Schnorrer, MPI für Entwicklungbiologie).

Bei der Festlegung von Vorder- und Hinterende des Embryos beispielsweise sind zunächst mütterliche Einflüsse am Werk: Noch während der Reifung der Eizelle produzieren umgebende Zellen mRNA für das Protein Bicoid . Diese mRNA geht in die Eizelle über und reichert sich im Inneren an, und zwar auf der Seite, die den produzierenden Zellen am nächsten liegt. Diese Seite wird später das Vorderende der ausgereiften Fliege hervorbringen. Um die ungleichmäßige Verteilung der mRNA zu konservieren, wird sie am Zellskelett in der Eizelle verankert.

Der nächste Schritt erfolgt nach der Befruchtung der Eizelle. Die Bicoid-mRNA dient als Vorlage für die Translation von Bicoid-Protein. Da das Protein an dem Ende der Eizelle entsteht, wo die mRNA gebunden ist, entsteht ein Konzentrationsgefälle: Am späteren Kopfende des Embryos befindet sich am meisten Bicoid-Protein, während es in Richtung Schwanzende immer weniger wird. Dieser Effekt wird dadurch möglich, dass im Embryo zwar viele Zellkerne, aber anfangs noch keine Zellwände entstehen und das Protein sich frei verteilen kann. Abbauvorgänge am Hinterende des Embryos halten den Konzentrationsverlauf aufrecht.

Die Verteilung von Bicoid ist wichtig für viele spätere Schritte in der Entwicklung. Die Zellkerne innerhalb des Embryos erkennen anhand der Bicoid-Konzentration, welche Laufbahn sie später einzuschlagen haben. Alle Zellkerne, in deren Umgebung eine bestimmte Menge an Bicoid überschritten wird, beginnen im nächsten Schritt, das Protein Hunchback zu produzieren. Dadurch ergibt sich eine scharfe Grenze zwischen vorderer und hinterer Hälfte des Embryos. Nach neuesten Erkenntnissen bewirkt eine Art Rauschfilter, dass der relativ ungenaue Bicoid-Verlauf zu einer exakten Hunchback-Grenze führt.

Innerhalb der Hälften finden wiederum ähnliche Vorgänge statt, die den Embryo in immer feinere Abschnitte untergliedern. Auch zwischen Rücken- und Bauchseite bestehen Konzentrationsunterschiede anderer Proteine, die das Schicksal jedes einzelnen Zellkerns entlang dieser Achse genau festlegen. Die Erkenntnisse, die man bei der Erforschung der Drosophila-Entwicklung gewonnen hat, erwiesen sich als sehr fruchtbar auch für andere Bereiche. Viele der beteiligten Gene sind überraschend stark konserviert und haben auch bei Säugetieren ähnliche Funktionen.

Dieser Beitrag wurde unter Genomstation veröffentlicht. Setze ein Lesezeichen auf den Permalink.

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht.