Die mechanische Ratsche: Neuer Mechanismus der Zellteilung entdeckt

(openPR) Die Ergebnisse zeigen, wie Komponenten des Zytoskeletts sowie die Materialeigenschaften des Zellinneren (des Zytoplasmas) zusammenwirken, um die Teilung über einen „Ratschen“-Mechanismus voranzutreiben.

In den meisten Arten teilen sich Zellen, indem sie am Zelläquator einen kontrahierenden Ring ausbilden, der aus einem Strukturprotein namens Aktin besteht. Dieser Ring zieht sich wie eine Beutelschnur zusammen und schnürt den Zellinhalt ab, sodass zwei neue Zellen entstehen. Obwohl dieses Modell der Zellteilung in vielen Organismen beobachtet wird, gilt es nicht während der frühen Entwicklung von eierlegenden Arten mit großen embryonalen Zellen wie Haien, Schnabeltieren, Vögeln oder Reptilien. In diesen Fällen kann sich der Aktinring aufgrund der enormen Zellgröße und des großen Dotters nicht vollständig schließen. Wie die Zellteilung in solchen Organismen dennoch gelingt war bislang eine offene Frage der Forschung. „Bei einem so großen Dotter im embryonalen Zellinneren gibt es eine geometrische Einschränkung. Wie kann ein kontraktiles Band mit freien Enden stabil bleiben und genügend Kraft erzeugen, um diese riesigen Zellen zu teilen?“, fragt Alison Kickuth, kürzlich promovierte Forscherin aus der Brugués-Gruppe am Exzellenzcluster Physics of Life (PoL) und Erstautorin der Studie. Ihre in einer wegweisenden Arbeit in Nature veröffentlichten Experimente liefern nun eine Antwort auf diese Frage.

Die Forschungsgruppe untersuchte Zebrabärbling-Embryonen, deren große, dotterreiche Zellen sich schnell teilen. Durch präzise Laserschnitte des Aktinbandes beobachtete Alison Kickuth, dass sich das Band trotz der lokalen Durchtrennung weiter zwischen die Zellen einschnürte. Dies deutete darauf hin, dass die Verankerungspunkte entlang des Bandes verteilt sind und nicht nur an dessen Enden liegen. Zudem zeigte sich, dass Mikrotubuli – ein weiterer zentraler Bestandteil des Zytoskeletts – als Reaktion auf die Laserschnitte verbogen und aufgefächert wurden, was auf deren entscheidende Rolle bei der Stabilisierung des Bandes während der Kontraktion hindeutete. Um die Rolle der Mikrotubuli weiter zu klären, störten die Autor:innen diese in zwei getrennten Experimenten: Zum einen durch chemisch induzierte Depolymerisation, zum anderen durch eine physikalische Störung mithilfe eines Hindernisses in Form eines mikroskopisch kleinen Öltropfens. In Abwesenheit von Mikrotubuli kollabierte das Aktinband, was zeigte, dass Mikrotubuli essentiell sind, um das Band zu stabilisieren, indem sie sowohl mechanische Unterstützung als auch Signalübertragung während seiner Bildung bereitstellen.

Veränderungen im Zytoskelett im Verlauf des Zellzyklus waren bereits aus anderen Organismen bekannt. Der Zellzyklus ist in klar definierte Phasen unterteilt: die mitotische Phase (M-Phase), in der die DNA geteilt wird, und die Interphase, in der eine typische Zelle wächst und ihre DNA repliziert. Nach der Teilung der DNA wachsen große, aus Mikrotubuli aufgebaute Strukturen, sogenannte Aster, die sich über das gesamte Zytoplasma erstrecken. Diese Aster sind in der Interphase entscheidend dafür, festzulegen, wo sich das Aktinband bildet und mit der Kontraktion beginnt – sie markieren somit die zukünftige Teilungsebene. Da bekannt ist, dass Mikrotubuli das Zytoplasma in verschiedenen zellulären Kontexten versteifen können, untersuchten die Autor:innen, ob die Aster zu einer solchen Versteifung beitragen und dadurch das Aktinband verankern. Zu diesem Zweck verwendeten die Forschenden magnetische Kügelchen und beobachteten deren Verschiebung unter magnetischen Kräften. Diese Experimente erlaubten es, Veränderungen der Zytoplasma-Steifigkeit während der verschiedenen Zellzyklusphasen zu messen. Dabei zeigte sich, dass das Zytoplasma während der Interphase steifer wird und als Gerüst zur Stabilisierung des Aktinbandes dient. Während der M-Phase hingegen wird es flüssiger, was das Einschnüren (die Ingression) des Bandes zwischen den beiden zukünftigen Zellen ermöglicht. Dieses dynamische Wechselspiel aus Versteifung und Verflüssigung spielt eine zentrale Rolle im Teilungsprozess.

Eine Frage blieb jedoch offen: Wie bleibt das Band während der M-Phase stabil, obwohl das Zytoplasma flüssiger wird? Durch zeitaufgelöste Bildgebung der Enden des Aktinbandes beobachtete das Team, dass das Band während der M-Phase zwar instabil ist und sich teilweise zurückzieht, jedoch nicht vollständig kollabiert. Stattdessen wird diese Retraktion durch die schnellen Zellzyklen in diesen frühen Entwicklungsstadien „gerettet“. In der folgenden Interphase, wenn das Zytoplasma durch das erneute Auftreten der Aster wieder versteift, wird das Band erneut stabilisiert. Anschließend schreitet die Ingression des Aktinbandes in der nächsten flüssigen Phase weiter voran. Diese Zyklen aus Instabilität während der M-Phase und Stabilisierung während der Interphase wiederholen sich über mehrere Zellzyklen hinweg, bis die Teilung abgeschlossen ist. Dieses alternierende Muster wirkt wie eine „mechanische Ratsche“ und ermöglicht die Zellteilung ohne einen vollständig geschlossenen kontraktilen Ring. Die Teilung erfolgt hierbei durch die zeitlich wechselnden Materialeigenschaften des Zytoplasmas und erstreckt sich über mehrere Zellzyklen statt über nur einen einzigen.

„Der zeitliche Ratschenmechanismus verändert unser Verständnis der Zytokinese grundlegend“, betont Jan Brugués, Letztautor der Studie. Dieser Mechanismus stellt eine effektive Lösung für frühe Zellteilungen in Zellen dar, die für konventionelle Teilungsmechanismen zu groß sind und gleichzeitig sehr schnelle Zellzyklen aufweisen. „Zebrabärblinge sind ein faszinierender Sonderfall, da die zytoplasmatische Teilung in ihren embryonalen Zellen von Natur aus instabil ist. Um diese Instabilität zu überwinden, teilen sich ihre Zellen besonders schnell, sodass die Ingression des Bandes über mehrere Zellzyklen hinweg erfolgen kann – durch den Wechsel zwischen Stabilität und Verflüssigung, bis die Teilung abgeschlossen ist“, erläutert Alison Kickuth. Diese Entdeckung stellt ein neues Paradigma für das Verständnis der Zellteilung in großen embryonalen Zellen dar und könnte auf viele Arten mit dotterreichen Embryonen übertragbar sein. Darüber hinaus unterstreicht sie die zeitliche Kontrolle der Materialeigenschaften des Zytoplasmas als wichtigen Faktor für zelluläre Prozesse – eine Rolle, die in zukünftigen Studien weiter untersucht werden kann. Das Verständnis dieser Mechanismen eröffnet neue Perspektiven für die Erforschung der Entwicklung in unterschiedlichen Arten.

Studie:

Alison Kickuth, Urša Uršič, Michael F. Staddon, Jan Brugués. A mechanical ratchet drives unilateral cytokinesis. Nature (2026). DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-025-09915-x

Finanzierung:

Diese Studie wurde durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen der Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder – EXC-2068–390729961 – Exzellenzcluster Physics of Life der TU Dresden gefördert. Weitere Unterstützung erfolgte durch den Volkswagen-Stiftung-„Life“-Grant Nr. 96827.

Bildbeschreibung:

Embryo des Zebrabärblings während des ersten Zellteilungszyklus. Das Strukturprotein Aktin ist markiert und visualisiert den Zellrand sowie die Teilungsfurche. Das Bild stellt eine Zeitreihe dar, die mit dunklem Orange (vor der Teilung) beginnt und mit fortschreitender Teilung über helleres Orange bis zu Weiß übergeht.

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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Ryan Henne
Science Communication Officer
Cluster of Excellence Physics of Life
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Originalpublikation:
https://doi.org/10.1038/s41586-025-09915-x