Ein internationales Forscherteam unter der Leitung von Wissenschaftlern der Universität Wien, die die Schwangerschaft bei sechs verschiedenen Säugetieren – vom Menschen bis zu Beuteltieren – untersuchte, hat herausgefunden, wie bestimmte Zellen an der Grenze zwischen Mutter und Kind seit über 100 Millionen Jahren zusammenarbeiten. Durch die Kartierung der Genaktivität in diesen Zellen fanden sie heraus, dass eine Schwangerschaft nicht nur ein Kampf zwischen Mutter und Fötus ist, sondern oft eine sorgfältig koordinierte Partnerschaft. Diese uralten Zellinteraktionen, darunter die Produktion von Hormonen und die gemeinsame Nutzung von Nährstoffen, haben sich entwickelt, um längere, komplexere Schwangerschaften zu ermöglichen, und könnten erklären, warum die Schwangerschaft beim Menschen heute so funktioniert, wie sie es tut. Diese Entdeckungen geben Aufschluss über eine der bemerkenswertesten Innovationen der Natur – die Fähigkeit, eine Schwangerschaft erfolgreich aufrechtzuerhalten. Die Ergebnisse wurden in Nature Ecology & Evolution veröffentlicht.
Studie identifiziert die evolutionären Ursprünge der Zellen und molekularen Signale, die Mutter und Fötus verbinden
Eine Schwangerschaft, die lange genug dauert, um die vollständige Entwicklung des Fötus zu ermöglichen, ist ein evolutionärer Durchbruch der Plazenta-Säugetiere – einer Gruppe, zu der auch der Mensch gehört. Im Zentrum steht dabei die feto-maternale Schnittstelle: die Stelle im Mutterleib, an der die Plazenta des Babys auf die Gebärmutter der Mutter trifft und an der zwei genetisch unterschiedliche Organismen – Mutter und Fötus – in engem Kontakt und ständiger Wechselwirkung stehen. Diese Schnittstelle muss ein empfindliches Gleichgewicht gewährleisten: Sie muss eng genug sein, um Nährstoffe und Signale auszutauschen, aber auch geschützt genug, um zu verhindern, dass das mütterliche Immunsystem den genetisch „fremden” Fötus abstößt.
Um die Ursprünge und Mechanismen dieser komplexen Struktur aufzudecken, analysierte das Team Einzelzell-Transkriptome – Momentaufnahmen aktiver Gene in einzelnen Zellen – von sechs Säugetierarten, die wichtige Zweige des Säugetier-Stammbaums repräsentieren. Dazu gehörten Mäuse und Meerschweinchen (Nagetiere), Makaken und Menschen (Primaten) sowie zwei ungewöhnlichere Säugetiere: der Tenrek (ein frühes Plazenta-Säugetier) und das Opossum (ein Beuteltier, das sich von den Plazenta-Säugetieren abgespalten hat, bevor diese komplexe Plazentas entwickelten).
Ein zellulärer „Atlas der Säugetier-Schwangerschaft”
Durch die Analyse von Zellen an der Schnittstelle zwischen Fötus und Mutter konnten die Forscher den evolutionären Ursprung und die Diversifizierung der wichtigsten beteiligten Zelltypen zurückverfolgen. Ihr Fokus lag auf zwei Hauptakteuren: Plazentazellen, die vom Fötus stammen und in das mütterliche Gewebe eindringen, und uterine Stromazellen, die mütterlichen Ursprungs sind und auf diese Invasion reagieren.
Mithilfe molekularbiologischer Werkzeuge identifizierte das Team eindeutige genetische Signaturen – Muster der Genaktivität, die für bestimmte Zelltypen und ihre spezialisierten Funktionen einzigartig sind. Bemerkenswert ist, dass sie eine genetische Signatur entdeckten, die mit dem invasiven Verhalten fetaler Plazentazellen in Verbindung steht und bei Säugetieren seit über 100 Millionen Jahren erhalten geblieben ist. Diese Entdeckung stellt die traditionelle Ansicht in Frage, dass invasive Plazentazellen einzigartig für den Menschen sind, und zeigt stattdessen, dass sie ein tief konserviertes Merkmal der Säugetierentwicklung sind. Während dieser Zeit waren auch die mütterlichen Zellen nicht statisch. Es wurde festgestellt, dass Plazenta-Säugetiere, nicht jedoch Beuteltiere, neue Formen der Hormonproduktion entwickelt haben – ein entscheidender Schritt hin zu längeren Schwangerschaften und einer komplexeren Gestation und ein Zeichen dafür, dass Fötus und Mutter sich gegenseitig in ihrer Evolution beeinflussen könnten.
Starke Koordination zwischen Mutter und Fötus
Um besser zu verstehen, wie die Schnittstelle zwischen Fötus und Mutter funktioniert, wurden im Rahmen der Studie zwei einflussreiche Theorien zur Evolution der zellulären Kommunikation zwischen Mutter und Fötus getestet. Die erste, die „Disambiguation Hypothesis“ (Hypothese der Entambiguierung), sagt voraus, dass im Laufe der Evolution hormonelle Signale eindeutig entweder dem Fötus oder der Mutter zugeordnet wurden – möglicherweise als Schutzmaßnahme, um Klarheit zu gewährleisten und Manipulationen zu verhindern. Die Ergebnisse bestätigten diese Annahme: Bestimmte Signale, darunter WNT-Proteine, Immunmodulatoren und Steroidhormone, konnten eindeutig auf ein Ausgangswebgewebe zurückgeführt werden.
Die zweite, die „Eskalationshypothese“ (oder „genomischer Konflikt“), deutet auf einen evolutionären Wettlauf zwischen mütterlichen und fetalen Genen hin – wobei beispielsweise der Fötus Wachstumssignale verstärkt, während die mütterliche Seite versucht, diese zu dämpfen. Dieses Muster wurde bei einer kleinen Anzahl von Genen beobachtet, insbesondere bei IGF2, das das Wachstum reguliert. Insgesamt deuteten die Ergebnisse auf eine fein abgestimmte kooperative Signalübertragung hin.
„Diese Ergebnisse legen nahe dass die Evolution möglicherweise eine stärkere Koordination zwischen Mutter und Fötus begünstigt hat als bisher angenommen“, sagt Daniel J. Stadtmauer, Hauptautor der Studie und jetzt Forscher am Institut für Evolutionsbiologie der Universität Wien. „Der sogenannte Machtkampf zwischen Mutter und Fötus scheint auf bestimmte genetische Regionen beschränkt zu sein. Anstatt zu fragen, ob die Schwangerschaft insgesamt ein Konflikt oder eine Kooperation ist, ist vielleicht die Frage sinnvoller: Wo liegt der Konflikt?“
Verfolgung evolutionärer Innovationen auf zellulärer Ebene
Die Entdeckungen des Teams wurden durch die Kombination zweier leistungsstarker Werkzeuge ermöglicht: der Einzelzell-Transkriptomik, die die Aktivität von Genen in einzelnen Zellen erfasst, und evolutionären Modellierungstechniken, mit deren Hilfe Wissenschaftler rekonstruieren können, wie Merkmale bei längst ausgestorbenen Vorfahren ausgesehen haben könnten. Durch die Anwendung dieser Methoden auf Zelltypen und deren Genaktivität konnten die Forscher simulieren, wie Zellen in verschiedenen Arten kommunizieren, und sogar einen Einblick gewinnen, wie sich dieser Dialog über Millionen von Jahren entwickelt hat. „Unser Ansatz öffnet ein neues Fenster zur Evolution komplexer biologischer Systeme – von einzelnen Zellen bis hin zu ganzen Geweben“, sagt Silvia Basanta, Co-Erstautorin und Forscherin an der Universität Wien. Die Studie gibt nicht nur Aufschluss darüber, wie sich die Schwangerschaft entwickelt hat, sondern bietet auch einen neuen Rahmen für die Verfolgung evolutionärer Innovationen auf zellulärer Ebene – Erkenntnisse, die eines Tages unser Verständnis, die Diagnose oder die Behandlung von Schwangerschaftskomplikationen verbessern könnten.
