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Zellbiologie

Schlafende Eier

Das Wunder des Lebens: Eine Eizelle verschmilzt mit einer Samenzelle, und aus der befruchteten Zelle entsteht schließlich ein Mensch. Die einzelnen Schritte des Zellteilungszyklus sind bekannt, doch ein Rätsel blieb bisher ungelöst: Die Eizellen von Wirbeltieren befinden sich vor ihrer Befruchtung in einer Ruhephase. Erst mit der Befruchtung wird der letzte Schritt der Zellteilung, die zur Reduktion des Chromosomensatzes in der Zelle führt, tatsächlich vollendet. Max-Planck-Wissenschaftler konnten nun den entscheidenden Faktor dieses Zellgeschehens identifizieren.
Meiose
Wenn sich ein Einzeller, wie beispielsweise eine Amöbe, teilt und zwei Nachkommen hervorbringt, pflanzt sich ein ganzes Lebewesen durch die Verdopplung einer Zelle fort. Auch Lebewesen, die sich sexuell fortpflanzen, wie beispielsweise der Mensch, entwickeln sich durch Zellteilung aus einer einzigen Zelle: aus der befruchteten Eizelle oder Zygote. Die Zygote wiederum entsteht durch Verschmelzung zweier Geschlechtszellen – einer Samenzelle mit einer Eizelle – und enthält somit einen doppelten Chromosomensatz mit den entsprechenden mütterlichen und väterlichen Genen. Diese Gene werden an alle im Zuge der weiteren Entwicklung entstehenden Körperzellen weitergegeben. Daher sind diese somatischen Zellen ebenso diploid, also mit einem zweifachen Chromosomensatz ausgestattet, wie die Zygote.

Nun kann sich ein so komplexes Gebilde wie eine Zelle nicht einfach verdoppeln, indem sie sich in der Mitte durchtrennt. Im Rahmen der herkömmlichen Zellteilung (Mitose) – die in dieser Form auch bei der Amöbe abläuft – muss das genetische Material, die DNA, zunächst verdoppelt und dann präzise auf die beiden Tochterzellen verteilt werden. Für die Herstellung von Geschlechtszellen – Eizellen und Samenzellen – muss der doppelte Chromosomensatz allerdings wieder zum einfachen reduziert werden. Dies geschieht durch die so genannte Meiose, eine abgewandelte Form der Zellteilung. Dabei werden väterliche und mütterliche Erbinformationen unterschiedlich verteilt. Unsere Nachkommen haben daher ihren ganz individuellen Mix an väterlichen und mütterlichen Genen – das macht jeden Menschen so einzigartig. Und die Möglichkeit im Zuge sexueller Fortpflanzung Nachkommen mit vollkommen neuen Eigenschaften zu produzieren, erweist sich auch in der Evolution als Vorteil.

Meiose
Meiose | Immunfluoreszenz-Aufnahme einer meiotischen Spindel in einem Froschei, das sich durch den zytostatischen Faktor noch im Ruhezustand befindet: In der Mitte der Spindel (rot) sind die Chromosomen (blau) angeordnet. Sobald das Ei befruchtet wird, trennen sie sich, und die zweite meiotische Teilung wird beendet.
Der Teilungszyklus einer Zelle wird von spezifischen chemischen Signalen vorangetrieben, die im Zytoplasma der Zelle vorhanden sind. Die von Thomas Mayer geleitete Nachwuchsgruppe am Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried bei München interessiert sich besonders für die Signalsubstanzen, welche die Meiose-Phase II – jene Phase, in der die Reduktion des Chromosomensatzes erfolgt – in Gang setzen und koordinieren. Die Wissenschaftler haben sich zum Ziel gesetzt, ein seit siebzig Jahren ungelöstes Rätsel aufzuklären: Seit dieser Zeit weiß man, dass die Eizellen von Wirbeltieren, also auch die des Menschen, ihren Zellzyklus erst nach der Befruchtung abschließen. Die Signalproteine, die diesen Ruhezustand aufrechterhalten, sind inzwischen zwar benannt worden, aber nicht wirklich erforscht.

Dabei handelt es sich um eine Summe von Proteinaktivitäten, die in der Fachliteratur als zytostatischer Faktor CSF (cytostatic factor) bezeichnet werden. CSF blockiert die Phase II der Meiose. Sofort nach der Befruchtung wird dieser Faktor jedoch abgebaut, sodass die Eizelle ihre Teilung abschließen kann. Dann können die beiden Zellkerne von Samen und Eizelle miteinander verschmelzen.

Nadine Rauh und Andreas Schmidt aus Mayers Forschungsgruppe haben die Regulation des zytostatischen Faktors an Froscheiern – in zellbiologischen Labors weltweit das Modellsystem schlechthin für Zellteilungsstudien – untersucht. Die Martinsrieder Zellbiologen hatten bereits herausgefunden, dass ein spezifisches Enzym, die Kinase Plk1, einen Faktor steuert, der sofort nach der Befruchtung in den Eizellen verschwindet. Der auf den Namen XErp1 getaufte Faktor ist notwendig, um die Eizellen in ihrem Ruhezustand in Meiose-Phase II zu halten.

Außerdem wissen Zellbiologen seit zwanzig Jahren, dass Kalzium-Ionen einen wichtigen Einfluss auf die "Erweckung" der Eizellen aus ihrem Ruhezustand haben. An der Kalzium-Regulation in der Zelle ist wiederum ein Protein (CaMKII) beteiligt. Es handelt sich ebenfalls um eine Kinase, also ein Enzym, das durch die Übertragung von Phosphatgruppen an Signalproteine deren Aktivität steuert.

Nadine Rauh und Andreas Schmidt wollten nun wissen, ob und wie diese Kinase mit dem von ihnen entdeckten Faktor XErp1 in Wechselwirkung tritt. Dazu veränderten sie die Zellen, indem sie die Bindungsmöglichkeiten für Kalzium ausschalteten. Entsprechend verharrten die Eizellen auch nach der Befruchtung und trotz erhöhten Kalzium-Spiegels weiterhin in ihrem Ruhezustand.

Die Versuche der Zellbiologen offenbarten ein komplexes Wechselspiel zwischen der Kinase CaMKII, den Kalzium-Ionen und dem Signalfaktor XErp1: Ein hoher Kalzium-Spiegel führt zur Aktivierung der Kinase; diese wiederum deaktiviert den Faktor XErp1. Dabei wird XErp1 so modifiziert, dass er von der zellulären Abbaumaschinerie erkannt und beseitigt werden kann. Damit wird quasi die "Pause"-Schaltung (XErp1) aufgehoben und der weitere Ablauf des Zellteilungszyklus freigegeben.

"Die Regulation durch die erhöhte Kalzium-Konzentration ist damit nun ganz leicht zu erklären. Da der von uns entdeckte und beschriebene Faktor XErp1 genau die Funktion eines lange gesuchten zytostatischen Faktors hat, gehen wir davon aus, dass er die zentrale Rolle bei der Arretierung der Eizellen in ihrem Ruhezustand bis zur Befruchtung spielt", erklärt Thomas Mayer. "Unsere Ergebnisse zeigen erneut, dass die Natur bewährte Signalfunktionen miteinander kombiniert. Das komplexe Zusammenspiel der molekularen Faktoren stellt sicher, dass die Eier zeitlich abgestimmt mit der Befruchtung ihre Reduktionsteilung vollenden", so der Gruppenleiter weiter. "Diese Forschungsergebnisse könnten in Zukunft auch Erklärungen und Therapie-Ansätze bei Unfruchtbarkeit eröffnen, die auf der mangelnden Bildung von Geschlechtszellen beruhen."
30.08.2005

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 30.08.2005

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