Keratin verleiht Zellen und Geweben Stabilität. Forschende des Institute of Science and Technology Austria (ISTA) in Klosterneuburg zeigen nun, dass die Strukturproteine bereits während der frühen Embryonalentwicklung eine entscheidende Funktion haben: Fehlen sie, geraten Zellbewegungen und die Kraftübertragung im Gewebe aus dem Gleichgewicht.
Keratin ist vor allem als Bestandteil von Haaren, Nägeln oder tierischen Hörnern bekannt. Doch die Strukturproteine erfüllen auch innerhalb von Zellen eine wichtige Funktion: Sie stabilisieren deren Form und tragen dazu bei, dass Gewebe mechanischen Belastungen standhalten und gleichzeitig beweglich bleiben. In der menschlichen Haut ermöglichen sie beispielsweise, dass sich das Gewebe bei Bewegungen verformen und anschließend wieder stabilisieren kann.
Ohne Keratine keine Wanderung von Zellen
Bereits in frühen Phasen der Embryonalentwicklung beginnen Wirbeltiere, Keratine zu bilden. Welche Bedeutung diese Proteine zu diesem Zeitpunkt haben, untersucht die Forschungsgruppe des Biologen Carl-Philipp Heisenberg am Institute of Science and Technology Austria (ISTA) in Klosterneuburg. Im vom Wissenschaftsfonds FWF geförderten Projekt „Keratine in der epithelialen Gewebeausbreitung“ widmet sich das Team der Rolle von Keratin bei frühen Gewebebewegungen.
Eine daraus hervorgegangene Studie zeigt nun, welche Folgen es hat, wenn sich kein Keratin-Netzwerk ausbildet. Erstautor Suyash Naik und das Forschungsteam beobachteten, dass dadurch sowohl die Ausrichtung und Wanderung der Zellen als auch die Übertragung mechanischer Kräfte im Gewebe beeinträchtigt werden.
Betroffen ist unter anderem die sogenannte Gastrulation, eine frühe Phase der Embryonalentwicklung, in der Zellen beginnen, die grundlegenden Körperstrukturen auszubilden. Ohne funktionierende Keratin-Netzwerke können sich Zellverbände nicht mehr geordnet bewegen. In weiterer Folge kommt die Entwicklung des Organismus zum Stillstand.
Zebrafische im Fokus
Für ihre Untersuchungen nutzten die Forschenden Embryonen des Zebrafisches (Danio rerio), eines häufig verwendeten Modellorganismus der Entwicklungsbiologie. Als Wirbeltiere sind Zebrafische dem Menschen evolutionär näher als beispielsweise Fruchtfliegen, die keine Keratine ausbilden. Gleichzeitig entwickeln sich ihre transparenten Embryonen außerhalb des Mutterleibs und können dadurch während ihrer Entwicklung direkt beobachtet werden.
Im Mittelpunkt stand die sogenannte Epibolie. Dabei breitet sich während der frühen Embryonalentwicklung eine Zellschicht über den Dotter aus. „Der Embryo sitzt ursprünglich nur als Zellballen auf einer riesigen Nährstoffquelle, die wie beim Ei Dotter genannt wird. Im Zuge der Epibolie breitet sich diese Zellschicht aus, um schließlich den gesamten Dotter zu umschließen“, erklärt Naik vom ISTA.
Zugkraft und Keratine
Währenddessen teilen sich die Zellen kaum. Die Ausbreitung des Gewebes erfolgt daher nicht hauptsächlich durch eine Zunahme der Zellzahl, sondern durch dessen Dehnung. „Das Gewebe wächst nicht durch eine Zunahme der Zahl der Zellen, sondern es wird gedehnt und unter großer mechanischer Spannung über die Nährstoffblase gezogen“, so Naik.
Angetrieben wird der Prozess von einer dünnen Gewebeschicht, in der embryonale Zellen miteinander verschmelzen und Zellkerne sowie Zellflüssigkeit einen gemeinsamen Raum teilen. Dadurch entsteht eine Zugkraft, die das Gewebe über die Oberfläche des Dotters bewegt.
Genau zu diesem Zeitpunkt beginnt auch die Bildung der Strukturproteine. „Die Keratine werden in den Zellschichten des Zebrafisch-Embryos genau in jenem Moment gebildet, in dem das Gewebe beginnt, sich zu bewegen“, erklärt Naik. Nach der Aktivierung der entsprechenden Gene würden innerhalb kurzer Zeit verschiedene Keratintypen produziert.
Keratin-Gene mit „Genschere“ ausgeschaltet
Welche Funktion das Keratin bei diesem Prozess übernimmt, war bislang nicht vollständig geklärt. Naik und sein Team schalteten deshalb mithilfe der Geneditierungsmethode CRISPR-Cas9 jene Gene aus, die für die Keratinproduktion verantwortlich sind. Dadurch konnte sich in den embryonalen Geweben kein Keratin-Netzwerk bilden. In der Folge verlief die Epibolie deutlich langsamer.
„Das wirkt widersprüchlich. Man könnte meinen, dass ohne die starren Keratine der Ausdehnungsvorgang leichter und schneller vonstattengeht“, sagt Naik. Tatsächlich wurden die Zellen ohne Keratin geschmeidiger und das Gewebe leichter verformbar. Gleichzeitig sank jedoch dessen Viskosität. „Es war weicher und verformbarer, aber schwerer zu ziehen“, fasst der Biologe zusammen.
Eine mögliche Erklärung fanden die Forschenden in der Ausrichtung der Zellen. Bei gesunden Embryonen orientierten sie sich entlang der Richtung der auftretenden Zugkräfte. „Beim Ziehen eines Gummibands sieht man Dehnungsstreifen entlang der Zugrichtung. Ähnlich verhält es sich im Gewebe“, beschreibt Naik den Mechanismus. „Die Zellen richten ihre längste Achse in Zugrichtung aus.“ Fehlte Keratin, ging diese Anpassung verloren. Dadurch konnten die Zellen mechanische Kräfte nicht mehr effizient untereinander weitergeben.
Ohne Keratin keine Kraftübertragung
Welche Auswirkungen das auf die Kommunikation innerhalb eines Gewebes hat, untersuchten die Forschenden in einem weiteren Experiment. Aus einem Zellverband wurden gezielt Zellen in der Mitte entfernt und anschließend beobachtet, wie die umliegenden Bereiche darauf reagierten.
„Wir haben in einer Gruppe von Zellen jene in der Mitte entfernt. Anschließend beobachteten wir, wie sich die Gewebebewegungen verändern – ein Setting, das in viel kleinerem Maßstab der Epibolie ähnlich ist“, erklärt Naik. Bei vorhandenem Keratin reagierten auch weiter entfernte Gewebebereiche auf den Zellverlust. Ohne Keratin beschränkte sich die Reaktion hingegen weitgehend auf jene Zellen, die unmittelbar an die entstandene Lücke angrenzten.
Die Ergebnisse deuten damit darauf hin, dass Keratin nicht ausschließlich der strukturellen Stabilisierung von Zellen dient, sondern auch für die Weitergabe mechanischer Kräfte über größere Bereiche eines Gewebes wichtig ist. Langfristig könnten diese Erkenntnisse auch für medizinische Fragestellungen interessant sein. Veränderungen von Keratinen treten etwa bei bestimmten schweren genetischen Erkrankungen auf, die mit sogenannter Schmetterlingshaut einhergehen. Auch bei der Wundheilung spielen Keratine eine Rolle.
Therapeutischer Nutzen denkbar
Weiterführende Forschung könnte daher untersuchen, ob sich diese Mechanismen therapeutisch nutzen lassen, beispielsweise um die Neubildung von Haut zu unterstützen. Die Studie zeigt jedenfalls, dass Keratin deutlich mehr ist als ein passives Stützgerüst: Das Protein-Netzwerk beeinflusst, wie Zellen auf mechanische Kräfte reagieren und diese innerhalb eines Gewebes weitergeben.
Das Projekt „Keratine in der epithelialen Gewebeausbreitung“ läuft von 2024 bis 2027 und wird vom Wissenschaftsfonds FWF gefördert. Das Paper wurde unter dem Titel Keratins coordinate tissue spreading by balancing spreading forces with tissue material properties im Fachjournal Nature Communications veröffentlicht.