Optogenetik fördert Strukturveränderungen im Gewebe

In der Optogenetik verwenden Forscher Licht, um die Proteinaktivität zu kontrollieren. Diese Technik ermöglicht es ihnen, die Form des embryonalen Gewebes zu verändern und die Entwicklung von Anomalien zu verhindern. Jetzt haben Wissenschaftler der De Renzis-Gruppe des EMBL die Technik verbessert, um Organformungsprozesse in Fruchtfliegenembryonen zu stoppen. Ihre im EMBO Journal veröffentlichten Ergebnisse ermöglichen die Kontrolle über einen entscheidenden Schritt in der embryonalen Entwicklung.

Für eine gesunde Entwicklung muss das Gewebe seine Form verändern. Beispielsweise verändern Zellgruppen ihre Form im Rahmen der Organentwicklung. Stefano De Renzis und seine Teammitglieder am EMBL interessieren sich für die Mechanismen hinter diesen Formübergängen und steuern sie mit Hilfe der Optogenetik mit Licht.

Um innere Organe wie die Nieren zu bilden, müssen sich Zellgruppen in Richtung des Inneren eines Embryos bewegen. Bei diesem Prozess, der als Invagination bezeichnet wird, zieht sich die Oberfläche einer Gruppe von Zellen zusammen und bewirkt, dass sich das Gewebe nach innen faltet. „Stellen Sie sich den Embryo als Ballon vor und die Gewebeinvagination als die Verformung durch Finger, die die Oberfläche des Ballons nach innen drücken. Der einzige Unterschied besteht darin, dass Zellen nicht wie die Finger einer äußeren Kraft ausgesetzt sind, sondern dass sie in der Lage sein müssen, Kräfte zu erzeugen, die sich selbstständig im Inneren bewegen“, sagt De Renzis, der das Projekt leitete. Anomalien in diesem Prozess führen zu Problemen bei der Gewebe- und Organentwicklung.

Einladungen initiieren und verhindern

De Renzis und seine Gruppe hemmen den natürlich ablaufenden Invaginationsprozess, um seine treibenden Faktoren zu verstehen. Ein entscheidender Aspekt ist die Flexibilität des nach innen klappenden Teils der Gewebeoberfläche. Wenn die Wissenschaftler diese Oberfläche mit Hilfe der Optogenetik versteifen, wird es für Zellen unmöglich, sich nach innen zu beugen und den gesamten Invaginationsprozess zu stoppen. „Wenn es den Zellen nicht erlaubt ist, ihre Basen zu entspannen, können sie ihre Apizes nicht effizient verengen, und die Gewebeinvagination hört auf. Um bei der Ballon-Analogie zu bleiben, ist es wie beim gleichzeitigen Drücken der Ober- und Unterseite eines Ballons. Der Innendruck wird höher und der Ballon kann sich nicht mehr nach innen falten“, sagt De Renzis. Mit ihrer neuen Methode ist es nicht nur möglich, die Invagination zu stoppen, bevor sie stattfindet, sondern auch während des Prozesses.

Während Wissenschaftler zuvor über die Bedeutung der basalen (inneren) Oberfläche des Gewebes spekuliert hatten, waren die experimentellen Techniken nicht weit genug fortgeschritten, um dies zu testen. Mit ihrer neuen Methode kann das EMBL-Team die Proteinaktivität verändern, ohne die Zellen zu schädigen, während es gleichzeitig in der Lage ist, die Modifikationen bei Bedarf zu aktivieren und zu deaktivieren. Ihre Ergebnisse liefern den ersten Beweis für eine langjährige Theorie, die morphologische Anomalien während der embryonalen Entwicklung erklären könnte.

In Kombination mit ihren bisherigen Ergebnissen sind die Wissenschaftler nun in der Lage, jeden Schritt dieses wichtigen Entwicklungsprozesses im Embryo zu kontrollieren. Obwohl die Experimente an Fruchtfliegenembryonen durchgeführt wurden, erwartet De Renzis, dass die Ergebnisse und Methoden auch auf andere Organismen anwendbar sind. Die Optogenetik kann zur Herstellung und Formung von künstlichem Gewebe oder zur Kontrolle der Gewebeentwicklung in der regenerativen Medizin eingesetzt werden.

Mehr Informationen:
Daniel Krueger et al. Downregulation von basalem Myosin-II ist erforderlich für Zellformänderungen und Gewebeinvagination, The EMBO Journal (2018). DOI: 10.15252/embj.2018100170

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