Ohne das Strukturprotein Keratin können sich Zellen im Embryo nicht richtig bewegen und das Gewebe bricht während der frühen Entwicklung zusammen. Das hat eine Studie des Institute of Science and Technology Austria (ISTA) erstmals gezeigt. Die Ergebnisse, veröffentlicht in „Nature Communications“, verdeutlichen die zentrale Rolle von Keratin nicht nur für Haare, Nägel und Hörner, sondern auch für grundlegende Prozesse im Wirbeltier-Embryo.

Während der Gastrulation – jener entscheidenden Phase, in der sich die Zellen des Embryos neu ordnen und die drei Keimblätter entstehen – vollzieht sich beim Zebrafisch die sogenannte Epibolie. Dabei wandert eine Zellschicht wie eine dehnende Haube über den Dotter und umhüllt den gesamten Embryo. Diesen Prozess steuert Keratin entscheidend mit.

Die Forschungsgruppe um Suyash Naik aus der Heisenberg-Gruppe von Edouard Hannezo am ISTA hat zusammen mit Kollegen der Sorbonne Université und der Universität Leiden Zebrafisch-Embryonen untersucht. Mithilfe der Genschere CRISPR-Cas9 entfernten sie das Keratin in den Zellen. Die Folge war dramatisch: Die Epibolie verlangsamte sich deutlich, das Zellgewebe wurde weicher und brach schließlich zusammen. Die Zellen richteten sich falsch aus, und die mechanischen Kräfte, die von der Dotter-Synzytial-Schicht ausgehen, konnten nicht mehr richtig übertragen werden.

„Keratin wirkt wie ein Weichmacher und gleichzeitig als Bindeglied in der Kraftübertragung“, erläutert Naik. Die fadenförmigen Keratin-Filamente sind Teil des Zytoskeletts und machen die Zellen elastisch genug, um die enormen Dehnungen während der Epibolie auszuhalten. Ohne sie fehlt die notwendige Stabilität und Koordination.

Zebrafische eignen sich besonders gut für solche Studien, weil ihre Embryonen durchsichtig sind und sich außerhalb des Muttertiers entwickeln. Bereits wenige Stunden nach der Befruchtung lässt sich die Gastrulation live unter dem Mikroskop beobachten. „Obwohl sich ihre Entwicklung von Säugetieren unterscheidet, gibt es viele evolutionäre Ähnlichkeiten“, betont Naik.

Die Erkenntnisse gehen weit über die Grundlagenforschung hinaus. Ein besseres Verständnis der Rolle von Keratin könnte helfen, Prozesse wie Wundheilung und Geweberegeneration besser zu verstehen. Zudem liefert die Studie neue Einblicke in Erkrankungen wie die Epidermolysis bullosa („Schmetterlingskrankheit“), bei der Mutationen im Keratin-Gen zu extrem fragiler Haut und Blasenbildung führen.

Lewis Wolpert, britischer Entwicklungsbiologe, bezeichnete die Gastrulation einst als den wichtigsten Moment im Leben – wichtiger noch als Geburt, Heirat oder Tod. Die ISTA-Studie unterstreicht diese Aussage: Stört man den Prozess durch das Fehlen eines einzelnen Proteins wie Keratin, scheitert die gesamte frühe Entwicklung.

Das Projekt wurde unter anderem durch das EU-Programm Horizon 2020 und den österreichischen Wissenschaftsfonds FWF gefördert. Die Ergebnisse zeigen einmal mehr, wie mechanische Eigenschaften von Zellen und Geweben fundamentale biologische Prozesse steuern.

Original Paper:

Keratins coordinate tissue spreading by balancing spreading forces with tissue material properties | Nature Communications

Redaktion: X-Press Journalistenbüro GbR

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