Wundersame Umprogrammierung am Beginn des Lebens

Eizelle übernimmt nach der Befruchtung die Führungsaufgaben

Neues Leben beginnt damit, dass zwei hochspezialisierte Zellen – nämlich die Eizelle der Frau (Oocyte) und die Samenzelle des Mannes (Spermium), also die beiden haploiden Keimzellen – miteinander verschmelzen. Es entsteht die sogenannte Zygote, die wiederum über einen diploiden Chromosomensatz verfügt. Damit jedoch die Embryogenese beginnen und damit ein vollständiges Lebewesen entstehen kann, muss das Erbgut der Eltern im einzelligen Embryo fusionieren und umprogrammiert werden. Diese Phase der Reprogrammierung ist sehr kritisch. Kommt es hier zu größeren Fehlern, ist der Embryo nicht lebensfähig und stirbt ab. Die Natur hat deshalb ganz besondere Kontroll- und Reparaturmechanismen entwickelt, die die komplexen Vorgänge während der Umprogrammierung begleiten und Fehler kompensieren können. Genau für diese überlebenswichtigen Mechanismen interessiert sich die Wissenschaft.

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Erst die Wärme der Sonnenstrahlen hat Leben auf der Erde ermöglicht. Zu den Wundern des Lebens zählen auch die komplexen Prozesse am Beginn der Embryogenese. Während nur Astronauten im All einen Sonnenaufgang über der Erde beobachten können, sind Forscher auf der ganzen Welt in der Lage, die Prozesse in der Zygote, der befruchteten Eizelle, immer besser zu verstehen. Sie interessieren sich besonders für die Kontrollmechanismen und Reparaturmöglichkeit während der Phase, in das elterliche Erbgut miteinander fusioniert, denn genau hierbei kann viel schiefgehen und eine erfolgreiche Schwangerschaft verhindern. Die Erkenntnisse können beispielsweise helfen, die Reproduktionsmedizin weiter zu verbessern.

 

Entstehung des Lebens gleicht einem Wunder

So beschäftigte sich eine jüngst veröffentlichte Dissertation am Institut für Molekulare Biotechnologie (IMBA) in Wien, einem Forschungsinstitut der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, genau mit diesen Fragen. Die dort gewonnenen Erkenntnisse erlauben nicht nur ein besseres Verständnis des zellulären Geschehens bei der Entstehung von Leben, sondern sie werden sich auf die Reproduktionsmedizin und die Stammzellenforschung ebenso auswirken. Für letztere müssen Stammzellen generiert, kultiviert und vermehrt werden. Die Wunderzellen sind für die Forschung deshalb so interessant, da sie das Potenzial haben, sich in jede beliebige Körperzelle zu differenzieren. Letztlich haben alle Körperzellen das gleiche Erbgut. Eine Leberzelle nimmt jedoch völlig andere Aufgaben wie eine Blutzelle oder Nervenzelle wahr.

 

Eizelle übernimmt die Führungsrolle

Die Eizelle übernimmt die führende Rolle bei der Kontrolle und Reparatur des elterlichen Erbguts während der Umprogrammierung. Die Eizelle nimmt zunächst das männliche Erbgut auf und ändert im nächsten Schritt die epigenetische Prägung der väterlichen DNA. Diese epigenetische Prägung sollte man sich am besten als eine Art DNA-Verpackung vorstellen. Da die Samenzelle wirklich winzig ist, muss das männliche Erbgut extrem dicht verpackt werden. Die DNA-Stränge sind daher auf Proteine gewickelt – ganz ähnlich wie Zwirn auf einer Spule. So nehmen sie am wenigsten Platz ein. Das Gebilde jedoch darf sich nicht auflösen, deswegen halten es Methylgruppen zusammen. Experten sprechen davon, dass das Erbgut nun in methylierter Form vorliegt.

Die Verpackung reguliert die Zugänglichkeit der DNA und steuert damit das Ablesen der Erbinformationen. Die Eizelle gestaltet nun die Verpackung um, indem das väterliche Genmaterial demethyliert wird. Damit werden zwar nicht die Erbinformationen an sich umgeschrieben, jedoch wird der in der DNA codierte Inhalt anders interpretiert. So ermöglicht es die Natur, dass mit identischen Erbinformationen unterschiedliche Zellen erzeugt werden können.

Da die Eizelle die Führungsrolle übernimmt, dirigiert sie so die Entwicklung der Zelle. Nur so können die beiden verschmolzenen Zellen ihre Ausgangssituation als spezialisierte Geschlechtszellen komplett vergessen. Erst durch diesen Vorgang erlangt die Zygote totipotente Eigenschaften und wird zur totipotenten Stammzelle, die in der Lage ist, einen kompletten Organismus zu bilden.

 

Schäden am väterlichen Erbgut können mütterliche Proteine reparieren

Den Forschern in Wien gelang es zu zeigen, dass der Umgestaltungsprozess im Rahmen der Fusion zu Schäden im väterlichen Erbgut führen kann. Doch die mütterlichen Proteine sind in der Lage, die Fehler zu erkennen und zu reparieren. Die Zygote kann sich erst teilen, wenn eine Korrektur der Brüche in der väterlichen DNA und damit eine Qualitätssicherung erfolgte. Dabei beeinflusst die Umgebung maßgeblich, wie streng die Kontrolle am Kontrollpunkt ausfällt. Eine wichtige Rolle spielt den Wiener Wissenschaftlern zufolge daher auch die in den Zellkulturen verwendete Nährlösung. Nur wenn sie eine optimale Qualität aufweist, sind beste Resultate zu erwarten. Diese Erkenntnis ist besonders für die Reproduktionsmedizin wichtig, denn bei der künstlichen Befruchtung erfolgt die Verschmelzung von Ei- und Samenzelle außerhalb des Körpers. Oftmals bietet die sogenannte „in vitro Fertilisation“ (IVF) die letzte Chance auf die Erfüllung des Kinderwunsches.

 

Ausgezeichnete Forschung

Die Wiener Studie wurde im Fachjournal Cell veröffentlicht. Die Doktorandin Sabrina Ladstätter erhielt für ihre Dissertation den Life Science Research Award, der alljährlich gemeinsam von der Österreichischen Gesellschaft für Molekulare Biowissenschaften und Biotechnologie und dem Wissenschaftsministerium vergeben wird.

 

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