Schwangere Frauen sind auf eine ausgewogene Ernährung und Nahrungsergänzungsmittel angewiesen, um ihre Babys mit den richtigen Nährstoffen zu versorgen, und ein gesundes Wachstum zu gewährleisten. Diese Nährstoffe tragen zur Entwicklung bei und liefern Bausteine für Zellen, die zu einem gesunden Gehirn, gesunden Knochen, Organen und einem gesunden Immunsystem führen.
Wie Stoffwechsel und Embronalentwickung zusammenhängen
Während diese Art der Ernährungsvorbereitung während der Schwangerschaft hilfreich ist, haben Wissenschaftler des EMBL herausgefunden, dass der Stoffwechsel – also die Art und Weise, wie Zellen Nahrung in Energie umwandeln – während der Embryonalentwicklung mehr leistet, als nur Energie und Bausteine für die Zellen für eine gesunde Embryonalentwicklung bereitzustellen. Der Stoffwechsel hat eine überraschende Signalwirkung. Durch die gezielte Modulation des Stoffwechsels konnten die Wissenschaftler einen Signalstoff identifizieren, der das Tempo der Entwicklung steuert.
„Wir haben festgestellt, dass sich mit zunehmender Geschwindigkeit des Stoffwechsels eine bestimmte Entwicklungsuhr verlangsamte“, sagte Hidenobu Miyazawa, einer der Erstautoren der neuen Studie und wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Aulehla-Gruppe am EMBL. „Diese Beobachtung deutete darauf hin, dass die Rolle des Stoffwechsels nicht nur darin besteht, Energie und Biomasse für die biologischen Prozesse bereitzustellen.“ Miyazawa entdeckte zusammen mit zwei weiteren Erstautoren und damaligen Mitgliedern der Aulehla-Gruppe, Nicole Prior und Jona Rada, sowie anderen EMBL-Forschern, dass der Stoffwechsel auch eine Signalfunktion hat. Die Wissenschaftler untersuchten Mausembryonen, während diese sich wiederholende Körpersegmente bildeten, aus denen sich schließlich Wirbelsäulen entwickelten. Die Signalfunktion des Stoffwechsels wurde deutlich, als sie entdeckten, dass selbst winzige Mengen bestimmter Metaboliten – die nicht ausreichten, um die Zellen tatsächlich mit Energie zu versorgen – dennoch die „biologische Uhr“ des Embryos für die Segmentbildung am Laufen halten konnten. Diese Uhr wird als Segmentationsuhr bezeichnet.
Die Wissenschaftler fanden eine umgekehrte Beziehung zwischen der Stoffwechselaktivität und dem Tempo der Segmentationsuhr. Das bedeutet: Je höher die Stoffwechselaktivität in den Zellen ist, desto langsamer ist die Segmentationsuhr. Überraschenderweise konnten sie diesen „langsamen Uhr”-Phänotyp umkehren, indem sie die zelluläre Signalübertragung wiederherstellten, ohne den Stoffwechsel an sich zu modulieren. Dies führte sie zu der Schlussfolgerung, dass die Stoffwechselaktivität die Signalübertragung der Zellen beeinflusst. Um herauszufinden, welche wichtigen Metaboliten den Uhrrhythmus steuern, wandten sich die Wissenschaftler einem experimentellen Ansatz zu, der auf der Synchronisationstheorie basiert. So wie Ihr innerer Körperrhythmus den äußeren Tag-Nacht-Zyklen folgt, kann sich auch die Segmentationsuhr des Embryos an ein äußeres Signal anpassen, wenn dieses regelmäßig gegeben wird. „In diesem Projekt haben wir untersucht, ob ein Metabolit als Signal zur Steuerung der Segmentationsuhr dienen kann”, erklärte Miyazawa.
Zukünftige Studien
Mit diesem einzigartigen Ansatz fanden die Wissenschaftler heraus, dass ein bestimmtes Zuckermolekül, FBP, der wichtigste Metabolit zur Regulierung der Segmentationsuhr ist. FBP beeinflusst den Rhythmus der Segmentationsuhr über einen wichtigen Signalweg, den sogenannten Wnt-Signalweg. Darüber hinaus erklärte Miyazawa, dass die mit der Segmentationsuhr verbundenen molekularen Schwingungen die räumlichen Muster der Körpersegmente des Embryos verändern könnten, während das Forschungsteam die Veränderungen verfolgte. Diese wissenschaftliche Erkenntnis ist zwar für die Grundlagenforschung von Bedeutung, könnte aber auch Auswirkungen darauf haben, was Wissenschaftler in Zukunft verstehen und kontrollieren können.
Diese Signalfunktion des Stoffwechsels könnte widerspiegeln, wie Organismen auf ihre Umgebung reagieren, z. B. indem sie ihre Entwicklung an die verfügbaren Nahrungsressourcen anpassen.
„Die Ergebnisse werfen tatsächlich eine wichtige Frage auf: Könnte der Stoffwechsel selbst als Schrittmacher fungieren, der interne biologische Uhren mit externen Rhythmen in der Umgebung verbindet?“, sagte Alexander Aulehla, leitender Autor der Studie und Direktor der Abteilung für Entwicklungsbiologie am EMBL. „Da der Stoffwechsel natürlich mit externen Signalen und Zyklen wie der circadianen Uhr verbunden ist, stützt unsere Arbeit, die zeigt, dass der Stoffwechsel die Segmentationsuhr ‚einstellen‘ kann, diese Idee, die wir in zukünftigen Studien testen werden.“
