Werkzeugkasten der Entwicklungsbiologie

Ute Rothbächer und ihr Team vom Institut für Zoologie untersuchen am Modellorganismus Ciona intestinalis Mechanismen der Zellkommunikation. Sein einfaches und vollständig bekanntes Genom gilt als entwicklungsbiologischer Werkzeugkasten, der bei der Untersuchung menschlicher Krankheiten nützlich ist.
Ute Rothbächer und Willi Kari vom Ciona Lab untersuchen, welche Mechanismen während der frühen Entwicklung zum Ein- und Ausschalten von Genen führen.
Bild: Ute Rothbächer und Willi Kari vom Ciona Lab untersuchen, welche Mechanismen während der frühen Entwicklung zum Ein- und Ausschalten von Genen führen.

Auch wenn Ciona intestinalis, ein im Ostatlantik und Nordpazifik verbreitetes Manteltier, mit dem Menschen augenscheinlich nur wenig gemeinsam hat, können Entwicklungsbiologen an ihm grundlegende zelluläre Vorgänge untersuchen und die Entstehungsmechanismen einiger menschlicher Krankheiten klären. „Ciona ist ein Modellorganismus, der es uns erlaubt, sehr frühe Stadien der embryonalen Entwicklung zu erforschen“, erklärt Ass.-Prof. Ute Rothbächer, die vor gut zwei Jahren am Institut für Zoologie das Ciona Labor und eine kleine Arbeitssgruppe aufgebaut hat. Eine Reihe von Vorteilen macht den Meeresbewohner zum neuen Liebling der modernen molekularen Entwicklungsbiologie: Der einfache Organismus besteht aus wenig Genen, sein gesamtes Genom ist vollständig sequenziert und der Körperbau der Ciona Larve ähnelt dem von Wirbeltieren. „Ciona bildet ein Stützorgan und kann als Prototyp eines Wirbeltiers bezeichnet werden“, sagt Rothbächer. „Man weiß bei Ciona von der Befruchtung bis hin zum Juvenilstadium relativ genau, welche Zellen welches Organ bilden; die Bausteine sind konstant“, ergänzt sie.

Zellschicksal

Die Kombination dieser Eigenschaften ermöglicht es den Forscherinnen und Forschern, ihren Fokus auf die komplexen Mechanismen der zellulären Kommunikation zu richten. Diese sind nicht zuletzt deshalb so interessant, weil sie nicht nur in Ciona, sondern auch in Wirbeltieren und damit auch im Menschen eine bedeutende Rolle spielen: So hat das Team um Ute Rothbächer mithilfe von Onlinedatenbanken erhoben, dass von den über 3000 Genen, die in die genetischen Krankheiten des Menschen involviert sind, circa die Hälfte auch in Ciona intestinalis vorkommen. „Wir erforschen jene Mechanismen, die in der embryonalen Entwicklung zum Ein- und Ausschalten bestimmter Gene führen. Wenn wir verstehen, wie sie das Schicksal von Zellen dirigieren, erfahren wir, wie bestimmte Krankheiten entstehen“, beschreibt Ute Rothbächer ein Forschungsinteresse. Das können die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, indem sie sehr gezielt in die Prozesse der Genregualtion eingreifen. Zur Anwendung kommt dabei die Methode der Elektroporation, mit deren Hilfe DNA-Sequenzen in die befruchtete Eizelle der Ciona eingeführt werden können. „Die befruchteten Eier werden in einer Küvette mit der DNA gemischt, dann wird ein kurzer elektrischer Puls gegeben und die DNA geht in die Zygoten über und wird weiterverarbeitet“, beschreibt Rothbächer die Methode, mit der man zum Beispiel Gene überproduzieren und die dadurch entstehenden Folgen analysieren kann.

Krebstherapie

In den Projekten von Ute Rothbächers Gruppe geht es um das Zusammenspiel von Signalwegen und sogenannten Transkriptionsfaktoren, die für die Umschreibung von DNA in RNA verantwortlich sind. Rothbächers Mitarbeiter und Doktorand Willi Kari zum Beispiel widmet sich in seiner Arbeit einem kaum erforschten Prozess der Genregulation, in der der bedeutende Wnt-Signalweg eine untypische Rolle spielt. Der Wnt-Signalweg steuert grundlegende Lebensvorgänge wie Zellwachstum, Zellreifung und Zellspezialisierung. Wenn er aktiv ist, werden im Normalfall Gene eingeschaltet. In jenem, erst in jüngerer Zeit beobachteten Prozess, den Willi Kari erforscht, ist der Wnt-Signalweg aktiv, dennoch werden Gene ausgeschaltet. Welche Umstände dazu führen, ist Karis zentrale Forschungsfrage, die er zunächst am Institut für Entwicklungsbiologie Marseille (IBDM) am Fadenwurm C. elegans bearbeitet hat. „Die genaue Beschreibung dieses nicht-kanonischen Wnt-Signalwegs wird wichtige Ansätze für die Krebstherapie liefern“, zeigt sich Kari, dessen Arbeit bald abgeschlossen ist, überzeugt. Die Forscher gehen davon aus, dass fehlgesteuerte Wnt-Signalwege an der Entstehung von Darmkrebs, Hautkrebs und Medulloblastom, einem bösartigen embryonalen Tumor des Kleinhirns, beteiligt sind.

Nebenprodukt Bio-Kleber

Ciona intestinalis ist aber nicht nur ein Liebling der molekularen Entwicklungsbiologie, sondern auch ein Hassobjekt der marinen Industrie. Das bringt einen weiteren Aspekt in die Arbeit von Rothbächers Team. „Im Erwachsenenalter wird Ciona sesshaft und die Larven setzen sich mit ihrem Klebe-Organ überall fest. Diese Eigenschaft stellt für die Bootswirtschaft, aber auch für Austern- und Muschelzuchten weltweit ein großes Problem dar“, führt die Forscherin aus. Aus diesem Grund will man gemeinsam mit einer anderen Arbeitsgruppe am Institut für Zoologie die Klebstoffe von Ciona genau identifizieren. Einerseits, um dem beschriebenen Biofouling entgegenwirken zu können, andererseits um neue gewebstaugliche Klebstoffe zu finden, die in der Zahnmedizin oder beim Einsatz von Knochenersatz zum Einsatz kommen können.

Bewegte Jugend vor Sesshaftigkeit

Ciona intestinalis trägt die durchaus anschauliche deutsche Bezeichnung Schlauchseescheide: Als milchig-weißlich, blassgelblich oder grünlich durchscheindender Schlauch wächst Ciona im Erwachsenen-Stadium auf Felsen, Algen, Muscheln, Hafenmolen oder Booten in vielen Weltmeeren, besonders im Ostatlantik und im Nordpazifik. Die Larven der Schlauchseescheide sind allerdings nicht sesshaft, sondern freilebend. Sie verfügen über stabförmige, elastische Stützen entlang des Rückens, die Chorda dorsalis, und können sich im Wasser fortbewegen. Innerhalb von 1bis 2 Tagen, wenn sie ausgewachsen sind, lassen die Larven sich nieder, um die Metamorphose zum erwachsenen Manteltier zu beginnen. Ciona dient der Forschung schon seit Jahren als Modellorganismus.

Dieser Artikel ist in der Februar-Ausgabe des Magazins „wissenswert“ erschienen. Eine digitale Version ist hier zu finden (PDF).