Forscher lösen Rätsel um spiegelverkehrte Organe
Biologen entschlüsseln wichtigen Schritt in der Embryonalentwicklung siamesischer Zwillinge
Sie teilen sich einen Körper und sind doch oft das genaue Gegenteil voneinander – zumindest im Inneren. Siamesische Zwillinge faszinieren Forscher schon seit Jahrhunderten, dennoch blieb ein Rätsel bisher ungelöst: Warum sind bei jedem zweiten rechtsseitigen Zwilling die inneren Organe spiegelverkehrt? Entwicklungsbiologe Prof. Dr. Martin Blum fand heraus: Ursache ist ein bestimmtes Protein im Embryo des linken Zwillings, das die Organverteilung in beiden Körpern anstößt.
Ein siamesisches Kalb aus dem Zoologisch-Tiermedizinischen Museum der Universität Hohenheim.
Universität Hohenheim
Das Herz schlägt links: So ist das bei den meisten Menschen. Bei siamesischen Zwillingen, ist das häufig anders – aber nur im Körper des rechten Zwillings von Paaren, die an Brust oder Bauch zusammengewachsen sind. Das ist bei 70 Prozent der siamesischen Zwillinge der Fall. Bei jedem zweiten von ihnen sind die inneren Organe des rechten Zwillings spiegelverkehrt angeordnet, das Herz sitzt rechts.
Bei Wirbeltieren und Menschen werden die Weichen für diese Entwicklung bereits im Alter von wenigen Tagen bis Wochen gestellt. Entsprechende Forschungsergebnisse publizierten Prof. Dr. Blum und seine Mitarbeiter Mathias Tisler und Dr. Thomas Thumberger jetzt in der aktuellen Ausgabe von „Current Biology“.
Protein-Bremse sorgt für einen kugelrunden Start
Drei Asymmetrie-Gene sorgen in diesem Entwicklungsstadium dafür, dass sich das Herz mit der Spitze nach links ausrichtet und auch die inneren Organe asymmetrisch ausbilden.
In den ersten Tagen nach der Befruchtung werden diese Gene noch von einem bestimmten Protein blockiert. Der Embryo entwickelt sich perfekt symmetrisch. Doch bereits nach wenigen Tagen vollzieht sich im Embryo eine ganze Kette von Ereignissen, die diese Gen-Bremse in den Zellen der linken Körperhälfte lösen.
„In der Folge wandert das Herz nach links, die Leber nach rechts, die Herzkammern werden unterschiedlich ausgebildet. Wird die Protein-Bremse jedoch nicht gelöst, dann bleiben die Asymmetrie-Gene unterdrückt. Als Ergebnis müssen sich die Organe dann zufällig anordnen“, erklärt Prof. Dr. Blum. „Bei 50 Prozent der betroffenen Lebewesen sitzen sie am gewohnten Platz. Bei den anderen 50 Prozent auf der entgegengesetzten Körperseite.“
Zell-Härchen (Cilien) geben den Anstoß zur Asymmetrie
An wenige Tage alten Froschembryonen konnte Prof. Dr. Blum in vorangegangenen Forschungsprojekten nachvollziehen, wie eine vier bis sechsstündige Ereigniskaskade die Protein-Bremse löst. Verantwortlich dafür sind Cilien: winzige Härchen auf der Oberfläche bestimmter Zellen in dem Bereich des Embryos, aus dem sich später der Darm entwickelt.
Die Cilien sind so angeordnet, dass sie sich wie Propeller im Kreis bewegen. Dabei verursachen sie einen Flüssigkeitsstrom, der sich außerhalb dieser Darmzellen von rechts nach links bewegt. Links des Cilienfeldes gibt der anbrandende Flüssigkeitsstrom den Zellen das Signal, die Protein-Bremse zu lösen. Rechts des Cilienfeldes fehlt das Signal: Die Protein-Bremse bleibt intakt.
Auf diese Weise gib dieser Flüssigkeitsstrom den Startschuss für die asymmetrische Ausprägung der Organe. „Das ist wie ein Domino-Effekt: von da an nicht mehr zu bremsen“, verdeutlicht Prof. Dr. Blum.
Linker Zwilling blockiert die Entwicklung des rechten Zwillings
Die gleiche Ereigniskaskade findet auch bei siamesischen Zwillingen statt. Beim rechten und linken Zwilling geben die Cilien gleichermaßen das Signal zum Aussetzen dieses Inhibitor-Proteins. Während das beim linken Zwilling auch geschieht, hat der rechte jedoch ein Problem: Seine linke Körperhälfte überlappt sich mit dem rechten Bereich beim linken Zwilling.
Hier wird das Brems-Protein jedoch nicht gelöst, sondern strahlt sogar noch auf den rechten Zwilling aus. Die Folge: Beim rechten Zwilling werden die Asymmetrie-Gene nicht aktiviert, die Organe entwickeln sich zufällig – und bei jedem zweiten rechtsseitigen Zwilling eben spiegelverkehrt.
Kaulquappen ermöglichen Erforschung des Phänomens
In der Natur sind siamesische Zwillinge ausgesprochen selten (beim Menschen: 1 von 50.000 Fällen). Für ihre Forschung beeinflusste die Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Blum im Labor deshalb Froscheier kurz nach der Befruchtung so, dass sich die Embryonen als siamesische Zwillinge ausbildeten.
Auch die folgenden Untersuchungen waren bereits 4-5 Tage nach der Befruchtung abgeschlossen. „Weil sich Froschembryonen im Wasser entwickeln und das Herz von außen zu sehen ist, konnten Matthias Tisler und Thomas Thumberger die Lage der Organe bereits zu diesem Zeitpunkt analysieren“, berichtet Prof. Dr. Blum.
Die Froscheier und Spermien stammen von Krallenfröschen aus der Laborhaltung der Universität Hohenheim.
Antwort auf eines der ältesten Rätsel der Entwicklungsbiologie
Mit den Forschungsergebnissen löst die Arbeitsgruppe eines der ältesten Rätsel der experimentellen Entwicklungsbiologie. Seit dem späten 19. Jahrhundert grübeln die Gründer der experimentellen Embryologie über das Phänomen der gespiegelten Organe bei 50 Prozent der rechten Zwillingsgeschwister berichtet Prof. Dr. Blum. Dazu gehörten Pioniere wie der Franzose Camille Dareste, der Schweizer Hermann Fol und der gebürtige Stuttgarter Hans Spemann.
Die letzten klassischen Arbeiten dazu stammten von diesem Stuttgarter Nobelpreisträger. „Das war im Jahr 1918. Doch die Frage nach dem Warum blieb weitere 100 Jahre offen. Jetzt können wir sie beantworten.“
Hintergrund: Glücksfall Asymmetrie
Kein höheres Leben ohne Asymmetrie: Auch höheres Leben beginnt zwar mit einer kugelrunden, perfekt-symmetrischen Zelle. Allerdings hat erst der Bruch des Lebens mit der Spiegelachse den Menschen und Höheres möglich gemacht. Die Asymmetrie sorgt dafür, dass sich das Herz asymmetrisch entwickelt, mit unterschiedlich großen Kammern und zwei Blutkreisläufen für Lunge und Körper.
Im Gehirn übernehmen beide Hälften unterschiedliche Aufgaben. „Ohne Asymmetrie hätten wir in der linken Hirnhälfte kein Sprachzentrum – und wären damit keine Menschen“, so Prof. Dr. Blum. Gleichzeitig handelt es sich bei dem Erfolgskonzept um eine der ältesten Erfindungen der Evolution, wie Forschungen an der Universität Hohenheim bereits in der Vergangenheit belegten.
Zum Glück, denn wenn die innere Ordnung gestört ist, können zum Teil schwere Krankheiten die Folge sein: „Statistisch treten solche Fälle bei ca. einem von 1.000 Neugeborenen auf. „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 der Entwicklungsbiologe.
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