Wie physikalische Instabilitäten die Embryonalent­wicklung beeinflussen: Neue Studie aus dem Exzellenzclus­ter Physics of Life

Multizellularität ist eines der grundlegendsten Phänomene der Biologie. Sie beruht auf der Fähigkeit einer einzelnen Zelle, sich zu einem komplexen Organismus zu reorganisieren, und bildet die Grundlage für die Vielfalt des Tierreichs – von Insekten über Frösche bis hin zum Menschen. Doch wie gelingt es Zellen, ihre Individualität mit einer solchen Präzision zu etablieren und aufrechtzuerhalten? Wissenschaftler:innen aus der Arbeitsgruppe von Jan Brugués am Exzellenzcluster Physics of Life (PoL) der Technischen Universität Dresden haben grundlegende Mechanismen identifiziert, die diese Frage neu beleuchten. Die Ergebnisse, die nun im Fachmagazin Nature veröffentlicht wurden, zeigen, wie Zellen physikalische Grenzen durch einen inhärent instabilen Prozess schaffen – und wie verschiedene Arten unterschiedliche Strategien entwickelt haben, um diese Instabilität zu kontrollieren.

Während der frühen Entwicklung teilen sich Embryonen schnell und mit bemerkenswerter Präzision, während sie sich gleichzeitig in viele einzelne Einheiten reorganisieren. Dafür muss das Zellmaterial – das sogenannte Zytoplasma – in einem hochkoordinierten Prozess in Kompartimente aufgeteilt werden. Forscher:innen aus der Arbeitsgruppe von Jan Brugués haben kürzlich einen neuen Mechanismus der Zellteilung im Zebrafisch beschrieben, bei dem Veränderungen der Materialeigenschaften des Zytoplasmas gemeinsam mit dem Zytoskelett die frühe Entwicklung unterstützen. Diese frühen Teilungen erstrecken sich über mehrere Zellzyklen statt nur über einen einzigen. Daraus ergibt sich eine zentrale Frage: Wie organisiert sich das Zytoplasma bereits vor der eigentlichen Zellteilung so robust – und das ohne physische Begrenzungen wie eine Zellmembran?

Eine Schlüsselrolle spielen dabei Mikrotubuli: Fadenförmige Strukturen, die Teil des zellulären Zytoskeletts sind. Mikrotubuli lagern sich zu sternförmigen Strukturen zusammen, sogenannten Asteren, die sich im Zellinneren ausbreiten und so zur Aufteilung des Zytoplasmas beitragen. Obwohl der Prozess der zytoplasmatischen Partitionierung bereits vor über hundert Jahren beschrieben wurde, waren die zugrunde liegenden Mechanismen der Kompartimentbildung und ihr dynamisches Verhalten bislang nur unzureichend verstanden. Um diese Prozesse genauer zu untersuchen, nutzten die Forscher:innen zytoplasmatische Extrakte von Eiern des Afrikanischen Krallenfrosches (Xenopus laevis). Diese ermöglichen es, zentrale Entwicklungsprozesse wie den Zellzyklus oder die Kompartimentbildung außerhalb lebender Zellen zu untersuchen. Bemerkenswerterweise können sich diese Frosch-Eizellenextrakte spontan in zytoplasmatische Kompartimente organisieren, die sich über mehrere Zellzyklen hinweg teilen – selbst dann, wenn keine Zellmembranen vorhanden sind. Dies deutete bereits darauf hin, dass die zytoplasmatische Partitionierung ein essenzieller Prozess ist, der unabhängig von der eigentlichen Zellteilung abläuft.

Zytoplasmatische Kompartimentierung in großen Wirbeltierembryonen inhärent instabil

Durch die Kombination von Experimenten mit Frosch-Extrakten, Untersuchungen in lebenden Embryonen und theoretischer Modellierung stellten die Forscher:innen fest, dass die zytoplasmatische Kompartimentierung in großen Wirbeltierembryonen inhärent instabil ist. Mikrotubuli-Asteren wachsen nicht einfach unabhängig voneinander: Sie interagieren miteinander, dringen ineinander ein und können schließlich fusionieren, anstatt getrennt zu bleiben. „Aus physikalischer Sicht sollte diese Instabilität die embryonale Organisation stören“, erklärt Jan Brugués, korrespondierender Autor der Studie. „Dennoch verläuft die Entwicklung mit beeindruckender Robustheit – was darauf hindeutet, dass Embryonen unterschiedliche Strategien entwickelt haben, um diese Instabilität zu überwinden.“

Zeitpunkt der Zellteilungen exakt auf das Einsetzen der Instabilität abgestimmt

Um diese Stabilisierungsstrategien zu untersuchen, verglichen die Autor:innen verschiedene Arten. So analysierten sie unter anderem Zebrafische und Fruchtfliegen, die zwar ähnlich große Embryonen besitzen, sich jedoch deutlich in ihrer Asteren-Architektur unterscheiden. Bei Zebrafischen – ebenso wie bei Frosch-Embryonen – stellten die Wissenschaftler:innen fest, dass der Zeitpunkt der Zellteilungen exakt auf das Einsetzen der Instabilität abgestimmt ist. Die Teilungen erfolgen schnell genug, sodass sich die Asteren im gesamten Embryo ausbreiten können, ohne miteinander zu verschmelzen und ihre räumliche Organisation zu verlieren. „Diese enge Übereinstimmung verdeutlicht, wie stark die zelluläre Maschinerie darauf optimiert ist, unter den extremen Bedingungen einer großen Embryogröße und eines schnellen Zellzyklus zu funktionieren“, sagte Melissa Rinaldin, Erst- und Ko-Korrespondenzautorin der nun in Nature veröffentlichten Studie.

Kleine Änderungen in physikalischen Parametern können Unterschiede in Embryonalentwicklung erklären

Im Gegensatz dazu reduzieren Arten wie die Fruchtfliege die Rate, mit der neue Mikrotubuli-Asteren gebildet werden. Dadurch entstehen kleinere, stabilere Asteren, die das Zytoplasma schrittweise über mehrere Zellteilungen hinweg ausfüllen. „Unsere Arbeit zeigt, dass bereits kleine Änderungen in physikalischen Parametern – etwa bei der Mikrotubuli-Nukleation oder ihrem Wachstum – Unterschiede in der Embryonalentwicklung verschiedener Arten erklären können“, sagt Jan Brugués. Die beobachteten enormen Unterschiede in der zellulären Architektur gehen somit auf vergleichsweise kleine Veränderungen in der Aster-Struktur zurück, die durch artspezifische Unterschiede im Mikrotubuli-Verhalten bedingt sind. Die Ergebnisse legen nahe, dass die Regulation der Mikrotubuli-Nukleation als eine Art evolutioneller „Regler“ fungiert haben könnte, der es Embryonen ermöglichte, unterschiedliche Lösungen für die Musterbildung in der frühen Entwicklung zu erkunden – ein entscheidender Schritt für die Entstehung multizellulärer Organisation.

Neue Perspektiven für das Verständnis embryonalen Wachstums

Durch die Identifikation einfacher physikalischer Regeln, die die Organisation des Zytoplasmas steuern, liefert die Studie einen neuen Rahmen für das Verständnis der frühesten embryonalen Musterbildungsprozesse über den gesamten Stammbaum des Lebens hinweg. Die eng abgestimmte Wechselwirkung zwischen physikalischer Instabilität und Zellzyklus in unterschiedlichen Arten deutet auf eine potenziell universelle Strategie für effiziente räumliche Organisation in lebenden Systemen hin. Die Ergebnisse eröffnen neue Perspektiven für das Verständnis embryonalen Wachstums, mit weitreichenden Implikationen für die Evolutionsbiologie sowie für menschliche Gesundheit und Krankheit. Veränderungen der Mikrotubuli-Dynamik, die für die Selbstorganisation des Zytoplasmas verantwortlich sind, könnten eine Schlüsselrolle bei der Bildung gesunder Gewebe spielen – und möglicherweise auch bei Erkrankungen wie beispielsweise Krebs eine zentrale Bedeutung haben.

Studie: Melissa Rinaldin, Alison Kickuth, Adam Lamson, Benjamin Dalton, Yitong Xu, Pavel Mejstřík, Stefano Di Talia, Jan Brugués. Robust cytoplasmic partitioning by solving an intrinsic cytoskeletal instability. Nature (2026).
DOI: https://www.nature.com/articles/s41586-025-10023-z

Finanzierung: Förderung der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen der Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder – EXC-2068–390729961, Exzellenzcluster Physics of Life der TU Dresden, des Human Frontier Science Program (HFSP), der European Molecular Biology Organization (EMBO), des Europäischen Forschungsrats (ERC), des National Institutes of Health (NIH), USA.

Über das Exzellenzcluster Physik des Lebens (PoL)

Physics of Life (PoL) ist eines von fünf Exzellenzclustern an der TU Dresden. Ziel von PoL ist es, die physikalischen Gesetze zu identifizieren, die der Organisation des Lebens in Molekülen, Zellen und Geweben zugrunde liegen. In dem Cluster untersuchen Wissenschaftler aus Physik, Biologie und Informatik, wie sich aktive Materie in Zellen und Geweben zu bestimmten Strukturen organisiert und Leben entstehen lässt. PoL wird von der DFG im Rahmen der Exzellenzstrategie gefördert. Es ist eine Kooperation zwischen Wissenschaftlern der TU Dresden und Forschungseinrichtungen des DRESDEN-concept-Netzwerks, wie dem Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik (MPI-CBG), dem Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme (MPI-PKS), dem Leibniz-Institut für Polymerforschung (IPF) und dem Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR). www.physics-of-life.tu-dresden.de

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