Wie Embryozellen selbstständig werden

In den ersten Stunden nach der Befruchtung ist es soweit: Die Zellen des frühen Embryos beginnen, eigenständig Proteine, Bausteine für Zellen und Organe herzustellen. Als Bauplan nutzen sie das eigene, einzigartig zusammengesetzte Erbgut. Das Startsignal dafür kommt bei Wirbeltieren von drei mütterlichen Proteinen, die an die DNA der Nachkommen binden. Neue Erkenntnisse des Freiburger Forschungsteams um Dr. Daria Onichtchouk und Dr. Meijiang Gao vom Institut für Biologie I der Universität Freiburg zeigen nun an Zebrafischen, auf welche Weise zwei dieser drei Startproteine der Eizelle ihre Rolle entfalten und in der weiteren Entwicklung wirken. Die Ergebnisse erschienen in einer Studie im Fachmagazin Nature Communications.

„Wir haben nachgewiesen, wie die Proteine Pou5f3 und Sox19b an unterschiedlichen Zeitpunkten der Embryonalentwicklung und Bereichen des Embryos funktionieren“, erklärt die Biologin Onichtchouk den integrativen Ansatz der Studie. Sie forscht am Exzellenzcluster CIBSS – Centre for Integrative Biological Signalling Studies der Universität Freiburg, dessen Wissenschaftler*innen das Ziel verfolgen, Signalvorgängen über Skalen hinweg zu verstehen. Weiterhin waren Prof. Dr. Jens Timmer und Markus Rosenblatt vom Physikalischen Institut der Universität Freiburg beteiligt.

Wichtige Moleküle für die Stammzellforschung

Ähnliche Proteine, so genannte menschliche Homologe von Pou5f3 und Sox19b werden in der Forschung verwendet, um aus menschlichen Hautzellen künstlich Stammzellen herzustellen. „Die genaue Rolle dieser Faktoren in der Entwicklung ist auch deswegen von großem Interesse für die Forschung und Medizin“, sagt Onichtchouk.

Um genau herauszufinden welche Gene auf welche Weise von diesen zwei Proteinen gesteuert werden und wie sie zusammenwirken, untersuchten die Biologin und ihr Team die Entwicklung von Embryos an Zebrafischen. Sie führten Mutationen in den Genen für Pou5f3 und Sox19b herbei, so dass die Fische die regulatorischen Proteine nicht mehr herstellten. Auf diese Weise konnten sie nachweisen, dass beide Proteine unabhängige Aufgaben haben. Beide wirken aber an der DNA, in dem sie an genregulatorische Regionen binden und die Gene für die Zellmaschinerie erst frei zugänglich machen.

Schlafmodus der Gensteuerung

Zusätzlich entdeckte das Team, dass Pou5f3 und Sox19b späte genetische Programme unterdrücken. „Sie halten wichtige Abläufe im Schlafmodus, damit sie erst später, wenn der entsprechende Entwicklungsschritt ansteht, gestartet werden“, präzisiert Onichtchouk. „Das betrifft die Gene, die für Entstehung der Organe verantwortlich sind.“ Doch nur auf der Bauchseite des Embryos scheinen Pou5f3 und Sox19b die bestimmenden Faktoren für die Aktivierung der Gene zu sein. Auf der Rückenseite sind sie unwirksam. Onichtchouk will den Grund dafür herausfinden: „Wir sind gespannt, was hier diese Funktion übernimmt, und ob diese Proteine auch von der Mutter stammen.“

Über den Exzellenzcluster CIBSS

Der Exzellenzcluster CIBSS – Centre for Integrative Biological Signalling Studies hat das Ziel, ein umfassendes Verständnis von biologischen Signalvorgängen über Skalen hinweg zu gewinnen – von den Wechselwirkungen einzelner Moleküle und Zellen bis hin zu den Prozessen in Organen und ganzen Organismen. Mit dem gewonnenen Wissen lassen sich Signale gezielt kontrollieren und dies wiederum ermöglicht den Forschenden nicht nur Erkenntnisse in der Forschung, sondern auch Innovationen in der Medizin und den Pflanzenwissenschaften.

www.cibss.uni-freiburg.de

Originalpublikation:
Gao, M., Veil, M., Rosenblatt, M. et al. (2022): Pluripotency factors determine gene expression repertoire at zygotic genome activation. In: Nat Commun 13, 788 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-28434-1