Was nach der Befruchtung im Zellkern passiert

Bevor es zum viel zitierten Wunder der Geburt kommt, müssen bereits Monate zuvor zahlreiche Ereignisse stattfinden. Bislang ist noch nicht im Detail verstanden, wie eine einzige Zelle den Ursprung für alle weiteren Zellen im künftigen Organismus bilden kann. Zu ergründen, wie das möglich ist, ist das Ziel von Maria-Elena Torres-Padilla, Professorin für Stammzellbiologie an der LMU und Direktorin des Instituts für Epigenetik und Stammzellen am Helmholtz Zentrum München. „Uns interessiert vor allem, was passieren muss, damit die Zellen sich so vielfach teilen und sich zu so unterschiedliche Strukturen wie Haut, Leber oder Herz entwickeln können“, erklärt die Forscherin. Dazu untersuchten sie und ihr Team in einer aktuellen Studie das sogenannte Chromatin, das aus DNA und Proteinen, darunter Histonen, besteht, „Wir haben uns angeschaut, wie bestimmte Histone nach der Befruchtung verändert werden und konnten dabei einen neuen Mechanismus aufklären.“ Darüber berichten sie aktuell in der Fachzeitschrift Genes and Development.

Die Autoren fanden heraus, dass das Molekül Suv4-20h2, eine sogenannte Histon-Methyltransferase, über das Chromatin fährt und kleine chemische Veränderungen (sogenannte Methylgruppen) an die Histone anhängt. Solange das stattfinde, sei die Zelle nur eingeschränkt teilungs- und entwicklungsfähig, erklärt Torres-Padilla. Kommt es aber zur Befruchtung, verschwinden die Anhängsel und die Zelle kann sich zum Organismus weiterentwickeln.

Um diese Ergebnisse zu überprüfen, testeten die Forscher im Versuchsmodell, wie es sich auswirkt, wenn man Suv4-20h2 in einer befruchteten Eizelle aktiv hält. „Wir konnten zeigen, dass in diesem Fall die Methylgruppen an den Histonen bestehen blieben“, so Andre Eid, Doktorand und Erstautor. „Dadurch geriet die Entwicklung ins Stocken und die Zellen kamen über die erste Teilung nicht hinaus.“ In weiteren Experimenten konnte das Team nachweisen, dass dieser Mechanismus vermutlich darauf beruht, dass die Methylgruppen an den Histonen zu einem Fehler bei der Verdopplung des Erbmaterials führen und der Zellzyklus zum Erliegen kommt.

„Unsere Ergebnisse geben uns einen Einblick in die komplexen Zusammenhänge zwischen dem Chromatin und der Fähigkeit von Zellen, sich in andere Zelltypen zu entwickeln – die sogenannte Totipotenz“, sagt Torres-Padilla. Dies sei sowohl ein wichtiger Schritt für die menschliche Embryologie, als auch für das Verständnis von bestimmten Krebskrankheiten, bei denen die Zellen ganz ähnliche Mechanismen zeigen, die sich auf ihr Wachstum auswirken. (Genes and Development 2016)