Vor mehr als einem Jahrhundert startete die Embryologin Hilde Mangold ein ungewöhnliches Experiment, das die Biologie der „ “ revolutionierte. In den 1920er Jahren, noch als Doktorandin, transplantierte sie Zellklumpen aus Embryonen einer Froschart in Embryonen einer anderen Art. Die transplantierten Zellen führten zur Bildung einer sekundären Körperachse, einschließlich eines Nervensystems und eines Vorläufers der Wirbelsäule. Mangold wies nach, dass sich der größte Teil der sekundären Körperachse aus dem Gewebe des Empfängerembryos entwickelte.
Die Entdeckung der embryonalen „Organisatoren“, die die Bildung der Körperachse steuern, hat ein völlig neues Gebiet der Entwicklungsbiologie geschaffen, sagt Stanislav Kremnyov, Biologe an der Friedrich-Schiller-Universität Jena, der derzeit in Mangolds Fußstapfen tritt. In einer kürzlich in der Fachzeitschrift „ “ (Nature ) erschienenen Studie berichten Kremnyov und seine Kollegen über die Entdeckung einer neuen embryonalen Organisatorzelle bei den Rippenquallen (Ctenophora) sowie über deren erfolgreiche Transplantation in Seerosen (Cnidaria) – die zu einem völlig anderen Stamm gehören –, was zur Entwicklung zusätzlicher Mäuler und Rachen führte.
Viele Forscher sind der Ansicht, dass die Rippenquallen zum frühesten Zweig des Stammbaums der Tiere gehören.
Kremnyov und seine Kollegen argumentieren, dass das Auftreten von Stammzellen die Umwandlung einzelliger Organismen in Tiere begünstigt habe.
Die „Bauleiter“ des Körpers
Obwohl Mangold 1924 auf tragische Weise bei einer Gasexplosion in seinem Haus ums Leben kam, erhielt sein Betreuer Hans Spemann dank dieser Entdeckung 1935 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin. Spemanns Labor wurde zum neuen Zentrum der Entwicklungsbiologie und lockte führende Experten an, die sich mit der Erforschung von Organisationszellen befassten und nach ähnlichen Funktionen auch in anderen sich entwickelnden Geweben suchten.
„Sie haben verrückte Dinge gemacht“, sagt Kremnyov. So transplantierten sie beispielsweise Gewebe von Schnecken und Mäusen in Froschembryonen und bewiesen damit, dass auch diese über organisierende Fähigkeiten verfügen. Später, in den 1980er- und 1990er-Jahren, entdeckten die Forscher die molekularen Grundlagen der Organisatorzellen: die als Morphogene bekannten Signalmoleküle.
Laut Kremnyov verhalten sich die Organisatorzellen und die von ihnen freigesetzten Morphogene wie ein Bauleiter im sich entwickelnden Embryo: Sie sagen den Zellen, was sie tun und was sie aufbauen sollen.
Die Forschung zu Organisatoren konzentrierte sich bisher hauptsächlich auf Wirbeltiere. Im Jahr 2007 entdeckte jedoch ein internationales Forscherteam solche Zellen in den Embryonen der Seerose (Nematostella vectensis). Diese gehören zu einer tierischen Abstammungslinie, die sich nach der Entstehung der Rippenquallen abgespalten hat. Das Ergebnis warf wichtige Fragen hinsichtlich des evolutionären Ursprungs der Organisationszellen auf.
Mäuler und Rachen
Kremnyovs Betreuer und Mitautor der Studie, der Entwicklungsbiologe Andreas Hejnol von der Friedrich-Schiller-Universität Jena, unterhält einen ungewöhnlichen „Zoo“ aus Wirbellosen, in dem sich Seerosen, Schwanzwürmer und Plattwürmer zu finden sind. In diesen „Mikrozoo“ siedelte Kremnyov eine Rippenqualle ( , Mnemiopsis leidyi) an, als er seine Arbeit im Labor aufnahm.
, M. leidyi, ist äußerst fruchtbar und legt täglich durchsichtige Embryonen ab. Bei der Untersuchung des Tieres beobachtete Kremnyov die Bildung embryonaler Strukturen, die als Blastosporen bezeichnet werden und bei anderen Tieren die embryonalen Organisationszellen beherbergen. Diese Strukturen entstehen im Rahmen eines als Gastrulation bezeichneten Prozesses, der bei Rippenquallen einige Stunden nach der Befruchtung einsetzt.
Um zu untersuchen, ob die Zellen der Blastospore als Organisatoren fungieren können, transplantierte der Experte einen Teil des Gewebes eines Embryos von M. leidyi auf einen anderen Teil eines Embryos von M. leidyi. Die Ergebnisse stimmten mit denen von Mangold überein: Die entstehenden Larven entwickelten zwei voll funktionsfähige Mäuler. Als Kremnyov Gewebe von M. leidyi in die Embryonen einer Seerose N. vectensis transplantierte, waren die Ergebnisse in etwa 10 % der Transplantationen ähnlich. Diese Larven verfügten über zwei Mäuler und zwei Schlundkanäle.
Weitere Experimente deuteten darauf hin, dass die Funktion der Organizerzellen von M. leidyi teilweise durch dieselben Signalwege koordiniert wird, von denen 2007 nachgewiesen wurde, dass sie auch in den Organizerzellen von Seerosen aktiv sind. Diese stehen auch in Zusammenhang mit den molekularen Akteuren, die in den Organizerzellen von Wirbeltierembryonen vorkommen.
„Diese ‚Bauleiter‘ können in einer universellen Sprache kommunizieren. Sie sind in der Lage, auch den Zellen verschiedener Stämme mitzuteilen, was sie aufbauen sollen“
– sagt Kremnyov.
Der Ursprung der Tiere
Die Entdeckung, dass die Organisationszellen der Rippenquallen von einem Signalnetzwerk gesteuert werden, das dem anderer Tiere ähnelt, ist sehr spannend und untermauert die Vorstellung, dass das Entstehen organisatorischer Aktivitäten ein entscheidender Schritt in der Evolution der Tiere gewesen sein könnte. Die Forscher gehen davon aus, dass die einzelligen Vorfahren der ersten Tiere in der Lage waren, spezialisierte Zellen zu bilden und Klumpen zu bilden. Doch laut dem Team um Kremnyov und Hejnol war es gerade die Aktivität der Organisationszellen, die für Ordnung in diesen Klumpen sorgte.
Carl-Philipp Heisenberg, Entwicklungsbiologe am Österreichischen Institut für Wissenschaft und Technologie, ist der Ansicht, dass noch einige molekulare Puzzleteile zusammengefügt werden müssen, um vollständig zu verstehen, wie die Organisatorzellen der Rippenquallen funktionieren – und inwieweit sie mit den entsprechenden Zellen der Wirbeltiere übereinstimmen.
Mark Martindale, Entwicklungsbiologe an der St. Augustine University in Florida, ist hingegen nicht davon überzeugt, dass die Transplantationsversuche einen Beweis für die Existenz der Organisatorzellen der Rippenquallen liefern. Seiner Meinung nach gibt es keinen Beweis dafür, dass die transplantierten Zellen das Schicksal der benachbarten Empfängerzellen verändern würden, was eine charakteristische Eigenschaft von Organisatorzellen ist. Die gesamte Vorstellung, dass es sich hierbei um einen Organisator handelt, sei äußerst zweifelhaft, sagt der Experte.
Eine Information, die den Forschern helfen könnte, den Ursprung der Organisatoren besser zu verstehen, ist die Frage, ob Schwämme über solche verfügen oder nicht.
Die Abstammungslinie der Schwämme liegt nahe am „Stamm“ des Stammbaums der Tiere und spaltete sich kurz nach den Rippenquallen von den anderen Zweigen ab (einige Experten behaupten sogar, dass die Abstammungslinie der Schwämme der erste abzweigende Zweig war). Die Untersuchung von Schwammembryonen und deren Haltung unter Laborbedingungen stellt jedoch eine große Herausforderung dar.
Daher ist unklar, ob die Embryonen der Schwämme überhaupt Blastosporen besitzen, die denen anderer Tiere ähneln, sagt Kremnyov. Dem stimmt auch Martindale zu: „Ich bin um die ganze Welt gereist, um einen geeigneten Schwamm als Modell zu finden, an dem wir embryologische Experimente durchführen können. Aber bisher habe ich noch keinen gefunden.“
