Die mechanische Ratsche: Neuer Mechanismus der Zellteilung

Die Zellteilung ist ein fundamentaler Prozess allen Lebens. Trotzdem blieben die genauen Mechanismen während der frühen embryonalen Entwicklung – insbesondere bei eierlegenden Arten – bislang weitgehend ungeklärt. Wissenschaftler:innen der Brugués-Gruppe am Exzellenzcluster Physics of Life (PoL) der Technischen Universität Dresden haben nun jedoch einen neuartigen Mechanismus entdeckt. Dieser erklärt, wie sich frühe embryonale Zellen auch ohne einen vollständig geschlossenen kontraktilen Ring teilen können, obwohl dieser bisher als absolut essentiell für den Prozess galt. Die Ergebnisse stellen damit die langjährige Lehrbuchvorstellung der Zellteilung infrage. Sie zeigen stattdessen, wie Komponenten des Zytoskeletts sowie die Materialeigenschaften des Zytoplasmas zusammenwirken, um die Teilung über einen sogenannten „Ratschen“-Mechanismus voranzutreiben.

Das Rätsel der Riesenzellen: Wie sich Zellen ohne geschlossenen Ring teilen

In den meisten Arten erfolgt die Zellteilung durch einen kontrahierenden Ring aus dem Strukturprotein Aktin, der sich am Zelläquator wie eine Beutelschnur zusammenzieht und den Zellinhalt abschnürt. Dieses gängige Modell stößt jedoch bei der frühen Entwicklung eierlegender Arten wie Haien, Schnabeltieren, Vögeln oder Reptilien an seine Grenzen. Aufgrund der enormen Zellgröße und des massiven Dotters kann sich der Aktinring dort nicht vollständig schließen, was die Forschung lange vor die Frage stellte, wie die Teilung in diesen Organismen dennoch gelingt. „Bei einem so großen Dotter im embryonalen Zellinneren gibt es eine geometrische Einschränkung. Wie kann ein kontraktiles Band mit freien Enden stabil bleiben und genügend Kraft erzeugen, um diese riesigen Zellen zu teilen?“, fragt Alison Kickuth. Ihre Experimente liefern nun die entscheidende Antwort auf diese fundamentale Frage.

Mikrotubuli stabilisieren das Aktinband

Das Forschungsteam untersuchte Zebrabärbling-Embryonen, deren große und dotterreiche Zellen eine schnelle Teilung vollziehen. Bei präzisen Laserschnitten des Aktinbandes machte Alison Kickuth die Entdeckung, dass sich das Band trotz der lokalen Durchtrennung weiter zwischen die Zellen einschnürte. Diese Beobachtung legte nahe, dass die Verankerungspunkte über die gesamte Länge des Bandes verteilt sind und nicht nur an dessen Enden liegen. Gleichzeitig zeigte sich, dass Mikrotubuli als weiterer zentraler Bestandteil des Zytoskeletts auf die Laserschnitte mit Verbiegungen und Auffächerungen reagierten. Das deutete auf ihre entscheidende Rolle bei der Stabilisierung des Bandes hin. Um diese Funktion genauer zu prüfen, störten die Autor:innen die Mikrotubuli sowohl durch chemisch induzierte Depolymerisation als auch durch ein physikalisches Hindernis in Form eines mikroskopisch kleinen Öltropfens. Das Ergebnis war eindeutig. In Abwesenheit der Mikrotubuli kollabierte das Aktinband. Das beweist, dass sie für die Stabilisierung sowie für die mechanische Unterstützung und Signalübertragung während der Zellteilung essentiell sind.

Wie Mikrotubuli die Zellteilung in Embryonen sichern

In ihren Untersuchungen an Zebrabärbling-Embryonen, deren große und dotterreiche Zellen eine hohe Teilungsrate aufweisen, konnte die Forschungsgruppe wichtige Einblicke in die Zellstabilität gewinnen. Durch präzise Laserschnitte am Aktinband stellte Alison Kickuth fest, dass sich das Band trotz der lokalen Durchtrennung weiterhin zwischen die Zellen einschnürte. Dieser Befund deutete darauf hin, dass die Verankerungspunkte nicht nur an den Enden, sondern entlang des gesamten Bandes verteilt sind. Gleichzeitig reagierten Mikrotubuli – ein weiterer Kernbestandteil des Zytoskeletts – auf die Laserschnitte durch Verbiegen und Auffächern. Das untermauerte ihre stabilisierende Rolle während der Kontraktion . Um diese Funktion weiter zu verifizieren, störten die Autor:innen die Mikrotubuli experimentell sowohl durch chemische Depolymerisation als auch physisch durch einen mikroskopisch kleinen Öltropfen als Hindernis. Da das Aktinband ohne die Mikrotubuli kollabierte, wurde deutlich, dass diese für die mechanische Unterstützung und die Signalübertragung während der Bandbildung unerlässlich sind.

Zytoplasma wechselt zwischen steif und flüssig

Veränderungen im Zytoskelett während des Zellzyklus – bestehend aus der DNA-Teilung in der M-Phase und dem Wachstum in der Interphase – sind bereits aus anderen Organismen bekannt. Nach der DNA-Teilung wachsen große Mikrotubuli-Strukturen (Aster) die sich durch das Zytoplasma erstrecken und in der Interphase die zukünftige Teilungsebene für das Aktinband markieren. Um zu klären, ob diese Aster das Zytoplasma versteifen und so das Aktinband verankern, setzten die Forschenden magnetische Kügelchen ein und maßen deren Verschiebung unter Krafteinwirkung. Diese Experimente belegten, dass das Zytoplasma während der Interphase tatsächlich steifer wird und als stabilisierendes Gerüst dient. Gleichzeitig wird in der M-Phase flüssiger, um die Einschnürung zwischen den neuen Zellen zu ermöglichen. Dieses dynamische Wechselspiel aus Versteifung und Verflüssigung bildet somit eine zentrale Säule des gesamten Teilungsprozesses.

„Mechanische Ratsche“ ermöglicht die Zellteilung ohne vollständig geschlossenen kontraktilen Ring

Trotz der Erkenntnisse über die wechselnden Materialeigenschaften des Zytoplasmas blieb eine Frage offen. Wie behält das Aktinband während der M-Phase seine Stabilität, wenn das umgebende Medium flüssiger wird? Durch zeitaufgelöste Bildgebung der Bandenden beobachtete das Team, dass das Band in dieser Phase zwar instabil wird und sich teilweise zurückzieht, jedoch nicht vollständig kollabiert. Diese Retraktion wird durch die extrem schnellen Zellzyklen der frühen Entwicklung „gerettet“, da bereits die folgende Interphase mit ihren neu auftretenden Astern das Zytoplasma wieder versteift und das Band stabilisiert. Die eigentliche Ingression schreitet dann in der nächsten flüssigen Phase weiter voran. Da sich dieses Muster aus Instabilität und Stabilisierung über mehrere Zellzyklen hinweg wiederholt, bis die Teilung abgeschlossen ist, fungiert der Prozess wie eine „mechanische Ratsche“. Dieser Mechanismus ermöglicht die Zellteilung ohne einen vollständig geschlossenen kontraktilen Ring. Er nutzt die zeitlich wechselnden Materialeigenschaften des Zytoplasmas und streckt den Teilungsvorgang über mehrere Zyklen.

Die zeitliche Ratsche revolutioniert das Verständnis der Zellteilung

Diese Entdeckung markiert einen Wendepunkt in der Zellbiologie und liefert ein neues Modell für die Entwicklung großer embryonaler Zellen. „Der zeitliche Ratschenmechanismus verändert unser Verständnis der Zytokinese grundlegend“, betont Jan Brugués. Der Mechanismus bietet eine hocheffiziente Lösung für Zellen, die aufgrund ihrer enormen Größe und gleichzeitig extrem schnellen Zellzyklen nicht auf konventionelle Teilungsmethoden zurückgreifen können. „Zebrabärblinge sind ein faszinierender Sonderfall, da die zytoplasmatische Teilung in ihren embryonalen Zellen von Natur aus instabil ist. Um diese Instabilität zu überwinden, teilen sich ihre Zellen besonders schnell, sodass die Ingression des Bandes über mehrere Zellzyklen hinweg erfolgen kann – durch den Wechsel zwischen Stabilität und Verflüssigung, bis die Teilung abgeschlossen ist“, erläutert Alison Kickuth. Diese Erkenntnisse könnten auf zahlreiche Arten mit dotterreichen Embryonen übertragbar sein. Sie unterstreichen zudem die bisher unterschätzte Bedeutung der zeitlich gesteuerten Materialeigenschaften des Zytoplasmas für zelluläre Prozesse. Damit eröffnen sich für zukünftige Studien völlig neue Perspektiven bei der Erforschung der biologischen Entwicklung unterschiedlichster Spezies.

Quelle

Technische Universität Dresden (01/2026)