Zellwimpern rücken das Herz an den rechten Fleck

Current Biology, Ausgabe vom Dienstag, 9. Januar 2007

Das Herz schlägt links, der Blinddarm drückt rechts: rein äußerlich ist die rechte Seite des Menschen von der linken kaum zu unterscheiden. Doch im Inneren herrscht Asymmetrie und wo die zerstört ist, sind schwere Krankheiten die Folge. An Fröschen wiesen Forscher der Universität Hohenheim nun einen Mechanismus nach, der wohl bei allen Wirbeltieren schon im frühen Embryo das Signal zur Rechts-Links-Ausprägung gibt. Die Grundlagenforschung hat auch medizinisches Potential: So geht zum Beispiel eine der häufigsten Nierenerkrankungen des Menschen auf Störungen in der Rechts-Links-Asymmetrie zurück.

Auslöser sind Zellen mit Cilien, einer Art von Zellwimpern, die Biologen bereits aus vielen Bereichen bekannt sind: Spermien verleihen sie zum Beispiel den Schub zur Fortbewegung, auf den Atemwegen flimmern sie eingeatmete Partikel wie Staub wieder nach oben.

Nun stießen die Entwicklungsbiologen um Prof. Dr. Martin Blum vom Institut für Zoologie der Universität Hohenheim bei Embryonen von Mäusen, Fröschen, und Kaninchen auf eine Ansammlung solcher cilienbewehrten Zellen, die ihre Wimpern synchron im Kreis schlagen (Current Biology, Ausgabe vom 9. Januar 2007). Dabei ragen die Zellwimpern einheitlich bei allen Zellen nicht mittig, sondern leicht seitlich aus der Zelle heraus. Auf diese Weise erzeugen die Cilien schon im wenige Tage alten Embryo einen Flüssigkeitsstrom von rechts nach links. Als eine Art Startzeichen aktiviert dieses asymmetrische Signal bestimmte Gene in den Zellen der linken Körperhälfte, während die gleichen Gene in der rechten Körperhälfte inaktiv bleiben. „Ein zunächst rein mechanisches Signal, das innerhalb von drei Stunden die Rechts-Links-Ausprägung auslöst“, erklärt Prof. Dr. Martin Blum.

Zum ersten Mal gelang es den Hohenheimer Forschern nun, dieses Signal verlässlich in Amphibienembryonen nachzuweisen. Dazu streuten sie winzige fluoreszierende Kügelchen mit weniger als einem tausendstel Millimeter Durchmesser in die Embryonal-Flüssigkeit und verfolgten ihren Weg mit einer selbst entwickelten Bildverarbeitungs-Software. In einem zweiten Experiment dickten sie die Umgebungsflüssigkeit von Froschembryonen mit Tapetenkleister an und unterbanden so den Flüssigkeitsstrom. Ergebnis: die Gene zur Rechts-Links-Ausprägung sprangen nicht mehr an. Herz, Darm und Gallenblase der Kaulquappen entwickelten sich falsch herum oder mit zufälliger Asymmetrie (Situs inversus bzw. Heterotaxie). Mit ihren Experimenten knüpften die Entwicklungsbiologen an frühere Forschungen aus Japan an, die gezeigt hatten, dass Mäuse zum Teil schwere Erkrankungen entwickelten, wenn ihre Cilien im Embryonalstadium Defekte aufweisen.

„Für uns steht damit außer Frage, dass es sich bei dem Mechanismus um ein ganz elementares Signal aller Wirbeltiere handelt, während man bislang glaubte, dass sich die Links-Rechts-Asymmetrie bei allen Wirbeltieren unabhängig voneinander entwickelte“, erklärt Prof. Dr. Blum.

Hoffnung machen sich die Biologen, mit ihrer Grundlagenforschung auch Ansätze für die medizinische Anwendung zu liefern. „Bei Menschen sind Rechts-Links-Störungen in der Entwicklung bei einer von 10.000 Personen bekannt. Die Folgen reichen von Herzfehlern bis zum Fehlen der Milz. Auch eine häufige Nierenerkrankung des Menschen, das Zystennierensyndrom, lässt sich auf Defekte in der Cilien-Funktion eines Gens zurückführen, das im frühen Embryo die Asymmetrie steuert“, erklärt Prof. Dr. Blum.

Offene Frage der Forschung sei, inwieweit auch die Händigkeit von Rechts-/Links-Händern und die Aufgabenteilung von rechter und linker Gehirnhälfte mit der embryonalen Rechts-Links-Ausbildung zusammenhängen. Fragen, die laut Prof. Dr. Blum Antworten auf die Sonderstellung des Menschen im Tierreich geben können. „Letztlich verdanken wir es dem Sprachzentrum in der linken Gehirnhälfte, dass wir unsere Lebenserfahrungen an die nächste Generation weitergeben und so eine Kultur aufbauen konnten“.