Zellbewegung im Zebrafisch-Embryo: Ohne Keratin läuft’s nicht

Der britische Entwicklungsbiologe Lewis Wolpert sagte einst, dass nicht Geburt, Heirat oder Tod, sondern die Gastrulation der wichtigste Moment im Leben sei. Das klingt zunächst übertrieben, aber es hat durchaus seine Berechtigung. Denn während der Gastrulation ordnen sich die Zellen eines jungen Embryos neu und es entstehen drei Keimblätter, aus denen später alle Organe und Gewebe hervorgehen. 
Forschende des Institute of Science and Technology Austria (Austria), konkret die Heisenberg Gruppe und Edouard Hannezo, gemeinsam mit Kolleg:innen von der Sorbonne Université und der Universität Leiden, zeigen nun, warum das Strukturprotein Keratin in diesem Prozess eine bedeutende Rolle spielt.

Kleiner Fisch, große Bedeutung 
Mit ruhiger Hand montiert Suyash Naik einen dünnen Aufsatz auf die Nadel einer Spritze und manövriert diese schwungvoll in eine Petrischale. Einmal angezogen transferiert der Biologe einen Tropfen Wasser in eine etwas kleinere Petrischale, die er sorgfältig unter einem Mikroskop platziert hat. Er adjustiert das optische Gerät und erblickt fünf winzig kleine Kügelchen, darin herumschwimmen. Es handelt sich um Zebrafisch-Embryos. 
„Einer der größten Vorteile, warum wir Zebrafische in der Grundlagenforschung einsetzen, ist, dass sie – im Gegensatz zu den gängigsten Modellorganismen wie der Fruchtfliege, Drosophila genannt – Wirbeltiere sind“, erklärt Naik. 
„Zebrafische besitzen ein Rückenmark, das dem des Menschen ähnelt. Obwohl sich ihre Entwicklung deutlich von Säugetieren unterscheidet, gibt es in Bezug auf ihre Biologie und Evolution zahlreiche Ähnlichkeiten, die uns ermöglichen, evolutionäre Zusammenhänge herzustellen.“
Außerdem sind die Embryos durchsichtig und werden außerhalb des Organismus abgelegt. Man kann sie also bereits unmittelbar nach der Befruchtung untersuchen. Jene Embryos, die Naik gerade unter dem Mikroskop beobachtet, sind gerade mal 1,5 Stunden alt und befinden sich in der Teilungsphase (aus dem Englischen „cleavage period“). 
Wenn man sie genau beobachtet, sind am oberen Ende der Kugel klar und deutlich zwei kleine Blasen zu erkennen. Das sind die ersten Zellen, die sich teilen. Aus ihnen werden über die nächsten Stunden vier, dann acht, und so weiter. Schlussendlich entsteht ein funktionsfähiger Zebrafisch.

Wie bewegen sich die Zellen im Embryo?
Für Naiks Forschung ist der Embryo dann noch zu jung. Der Biologe interessiert sich vor allem für die Gastrulation – eine Phase, die bei Zebrafrischen typischerweise zwischen fünf und zehn Stunden nach der Befruchtung stattfindet. In dieser Periode kommt es zu einer großen koordinierten gemeinsamen Bewegung eines neu angelegten Zellverbands, des Zell-Gewebes. Diese Bewegung nennt man Epibolie. 
Angekurbelt von der Schwerkraft und der Zugkraft eines dünnen Zellnetzwerks in der Mitte des Dotters – der Dotter-Synzytial-Schicht – wandert dieser Zellverband während der Epibolie von oben über den Eidotter aus hinunter und umhüllt den Embryo schließlich vollständig. Es entsteht eine Schutzhülle. Im Inneren werden dann unter anderem die Keimblätter—die ersten Schichten des Körpers—gebildet. 
„Man kann sich das wie eine Mütze vorstellen, die man sich über den Kopf zieht, bis sie das ganze Gesicht verdeckt“, erklärt Naik. „Einer Haube geht aber irgendwann mal das Material aus, der Zellschicht, die den Embryo bedeckt, nicht – sie ist super elastisch.“

Der Prozess geht zwar sehr schnell über die Bühne, ist aber für den Forscher gut zu beobachten. Es ist das perfekte Modell, um groß angelegte Zellbewegung zu verstehen – von der Dynamik bis hin zu den Mechanismen, die sie antreiben. 

Keratin – der Weichmacher
Keratine sind fadenförmige Proteine, die spezifisch für Epithelgewebe sind. Davon gibt es viele Formen, am bekanntesten sind uns wohl jene, die auf unserer Haut vorkommen oder unseren Haaren Widerstandskraft verleihen. Viele Shampoo-Hersteller:innen werben mit Keratin für strapaziertes Haar. 
In den Zellen im Embryo kommen sie als Filamente vor. Sie sind damit so etwas wie kleine geschwungene Nudeln, die die Zellen weich machen. Neben Actin- und Myosin-Filamenten sind sie Teil des Zytoskeletts – des Grundgerüsts der Zellen. 
Sobald die Epibolie beginnt, wird Keratin aktiviert, welches sich im Zuge des gesamten Prozesses weiter anreichert. Was genau aber dessen Funktion dabei ist, war bis jetzt unklar. Naik und seine Kolleg:innen haben nun erste Antworten. 

Keratin – das Bindeglied
Der Forscher widmete sein PhD-Projekt genau dieser Frage und nutzte die Genschere CRISPR-Cas9, um Keratin in den Zellen des Embryos zu löschen. Als er das Protein entfernte, lief die Epibolie plötzlich deutlich langsamer ab – der Zellverband brach schließlich zusammen. 
Interessanterweise wurde das sich bewegende Zellgewebe weicher. Das ist paradox, denn wenn man zum Beispiel an ein Gummiband denkt, dann würde man meinen, dass desto weicher es ist, desto besser lässt es sich auseinanderziehen. Hier ist es aber nicht der Fall. 
Außerdem beobachtete er, dass die Zellen im Gewebe sich falsch ausrichteten und jene Kraft, die von der Dotter-Synzytial-Schicht ausgehend den Zellverband hinunterzieht, nicht mehr auf das Gewebe übertragen werden konnte. Genauso konnte die Kraft aus der Synzytial-Schicht des Dotters sich nicht an die Bewegung anpassen.

Ein Blick in die Zukunft
Naik und seine Kolleg:innen gehen durch diese Ergebnisse davon aus, dass Keratin als Verbindungsglied in der Kraftübertragung während der Epibolie wirkt. 
Diese Erkenntnisse verdeutlichen, wie vielfältig die Funktionen von Filamenten wie Keratin sind. Sie dienen als verbindendes Element zwischen unterschiedlichsten Systemen im Gewebe. Die Forschenden hoffen, dass ein tieferes Verständnis dieser Zusammenhänge dazu beitragen kann, besser zu verstehen, wie all diese Systeme miteinander interagieren. 
Mehr Wissen auf diesem Gebiet könnte neue Ansätze liefern für die Wundheilung (koordinierte Zellwanderung), die Regenerationsmedizin sowie für das Verständnis von Erkrankungen – wie zum Beispiel Epidermolysis bullosa, die durch Keratin-Mutationen verursacht wird und zu empfindlichem Gewebe führt, das Blasen bildet oder leicht reißt.


Information zu Tierversuchen:
Um grundlegende Prozesse etwa in den Bereichen Neurowissenschaften, Immunologie oder Genetik besser verstehen zu können, ist der Einsatz von Tieren in der Forschung unerlässlich. Keine anderen Methoden, wie zum Beispiel in-silico-Modelle, können als Alternative dienen. Die Tiere werden gemäß der strengen in Österreich geltenden gesetzlichen Richtlinien aufgezogen, gehalten und behandelt. Alle tierexperimentellen Verfahren sind durch das Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft und Forschung genehmigt.

(Institute of Science and Technology Austria)

Originalpublikation:

Naik et al. 2026. Keratins coordinate tissue spreading by balancing spreading forces with tissue material properties. Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-026-72366-z
https://www.nature.com/articles/s41467-026-72366-z