Wie langsame Zellen zu Katzen in Anzügen führen

Mein Mann hat eine Tendenz eigenartige Namen zu vergeben. Obwohl unser Kater vom Tierheim den Namen Olek bekommen hat, wird er bei uns eigentlich nur Kellner gerufen. Ich habe versucht dagegen anzukämpfen, aber der Name passt einfach zu gut. Wie viele andere Katzen sieht er so aus, als ob er einen kleinen schwarzen Anzug anhat.

Tuxedo Cat

Katze im Anzug

Credit: Adkisaac at English Wikipedia via Wikimedia Commons CC BY-SA 3.0

Die Pigmentierung des Fells bzw. der Haut wird bereits während der Embryonalentwicklung festgelegt. Während der Entwicklung kolonisieren Melanoblasten, die Vorläuferzellen aus denen die Melanozyten hervorgehen, die sich entwickelnde Epidermis, also die Oberhaut, die uns gegen die Umwelt abgrenzt. Je nachdem, wie sich diese Melanoblasten hier verteilen werden verschiedene Fellmuster gebildet. Dabei wurde bisher angenommen, dass Tiere mit einem hellen Bauchfleck, so wie mein kleiner Kellner, dadurch entstehen, dass sich die Melanoblasten nicht schnell genug bewegen. Sie starten nämlich am Rücken und der Bauch ist so weit entfernt, dass sie da einfach nicht rechtzeitig ankommen. Dadurch dass sich die Melanoblasten während ihrer Reise immer wieder teilen, hinterlassen sie Nachfolger, die so nach und nach die ganze Epidermis bevölkern. Oder eben nicht, wenn sie zu langsam wären. Ursächlich dafür ist das Gen Kit. Mutationen in diesem Gen verursachen den beim Menschen auftretenden Piebaldismus, der neben weißen Flecken auf der Haut auch eine ziemlich coole, charakteristische weiße Stirnlocke mit sich bringt.

Indira Gandhi, 1977

Indira Gandhi, 1977

Credit: Dutch National Archives CC BY-SA 3.0 nl via Wikimedia Commons

Wie die Migration dieser Melanoblasten in der Bauchregion abläuft, kann man auf Grundlage von Migrationsexperimenten mathematisch modellieren. Genau das wurde in der hier vorgestellten Publikation gemacht, mit dem Ziel das Verhalten von Melanoblasten während der Kolonisierung besser zu verstehen. Dabei geht es allerdings nicht unbedingt nur um schicke Fellmuster, sondern vor allem auch um damit assoziierte Erkrankungen wie  Morbus Hirschsprung, eine sehr unangenehme Darmerkrankung. Zu diesem Zweck wurde zunächst in explantierten Mäuseembryonen untersucht, wie sich die Melanoblasten während der Entwicklung bewegen. Dazu wurden genetisch veränderte Mäuse verwendet, in denen die Melanoblasten angefärbt waren. Die erste Beobachtung dabei war, dass sich die Melanoblasten zwar ständig bewegten, dies aber nicht gerichtet, sondern zufällig erfolgte. Dafür wurden sogenannte time-lapse Aufnahmen gemacht, also eine Sequenz von Bildern von immer demselben Bildausschnitt. In der Abbildung unten sieht man wie der Melanoblast innerhalb von 140 min rumzappelt.

Melanoblasten in Bewegung

Melanoblasten in Bewegung

Credit: Nature Communications: 2015 Mort et al. doi:10.1038/ncomms10288 CC BY 4.0

Weiterhin wurde beobachtet, dass sich in der Bauchregion verschiedene Dichten der Melanoblasten durch deren Bewegung ausbildeten. Eine Berechnung, um herauszufinden ob das durch die gegenseitige Abstoßung der Zellen verursacht wird, ergab allerdings eine complete spatial randomness. Ein schöner Begriff, den ich in mein Repertoire zur Beschreibung des Zustands meiner Wohnung aufnehmen werde. Was ist das also, wenn sich Zellen scheinbar ziellos bewegen aber trotzdem auseinander streben? Richtig, Diffusion! Während der Embryo wächst, verlängert sich auch die Bauchregion, wodurch sich die Melanoblasten durchschnittlich eher in der Mitte wiederfinden und dann auseinanderdiffundieren. Genau das wurde dann auch als mathematische Grundlage für die weiteren Berechnungen angenommen. Die Wissenschaftler stellten dafür die Hypothese auf, dass die ungerichtete Bewegung und die Proliferation der Melanoblasten während des Wachstums ausreicht  für die vollständige Kolonisierung und dass so auch die beobachteten Muster zu erklären sind, insbesondere Kit-Mutanten und Chimären (Das sind zwei- und mehrfarbige Tiere, die entstehen, wenn zwei oder mehr Embryonen in einem sehr frühen Stadium miteinander fusionieren und dann einen einzelnen Embryo bilden. Diese Chimären bestehen dann aus Zellen mit unterschiedlicher DNA.) Dazu wurden aus den gesammelten Daten der Experimente mit den explantierten Embryonen Parameter gezogen, mit denen ein Model entwickelt wurde, das die gemachten Beobachtungen replizieren kann. Diese Berechnungen gelten allerdings nur für die Bauchregion zwischen den Extremitäten, da ausgehend von vorherigen Experimenten davon ausgegangen wird, dass für z.B. die Kopfregion andere Mechanismen gelten.

Mit diesem Modell konnte dann berechnet werden, wie viele verschiedene „Typen“ von Melanoblasten (genannt klonale Subtypen) es geben muss, damit sich Muster wie Streifen entwickeln können. Je nach Zahl der Typen und deren Mischung kommt es dann zu den verschiedensten Mustern. Wenn es z.B. nur zwei verschiedene Typen gibt, kommt es häufig zur Streifenbildung. Das Modell konnte auch zeigen, dass, anders als bisher angenommen, die verschiedenen Muster eher durch eine Veränderung in der Wachstumsrate als in der Geschwindigkeit mit der die Zellen sich bewegen, hervorgerufen werden. Dieses Ergebnis der mathematischen Modellierung wurde dann wiederum im Tiermodell bestätigt. Hier wurde gezeigt, dass Tiere mit Mutationen im oben erwähnten Kit-Gen  einen längeren Zellzyklus hatten, also insgesamt eine geringere Wachstumsrate und dass vermutlich die beobachteten weißen Bäuche tatsächlich eher durch dieses langsamere Wachstum, als durch eine verringerte Bewegungsgeschwindigkeit hervorgerufen werden. Es gibt einfach nicht genügend Zellen um den gesamten Bereich zu kolonisieren. Ich kann dem kleinen Kellner also nachher sagen, dass seine Zellen gar nicht langsam, sondern einfach nur nicht genug waren.

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Claudia Davenport hat in Potsdam und Hannover Biochemie studiert und promoviert mittlerweile über Insulin-produziernende Surrogatzellen aus embryonalen Stammzellen zur Behandlung des Diabetes Typ 1. Wenn sie gerade mal nicht im Labor am Durchbruch arbeitet, der die Welt verändern wird, ist sie gerne im Grünen, radelt durch die Gegend oder geht Kaffee trinken.

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