Zweiter Spindelapparat bei erster Zellteilung von befruchteter Eizelle entdeckt

12.07.2018

Wann beginnt das Leben? Muss der Begriff „Lebensanfang“ neu definiert werden? In einer gerade befruchteten Eizelle von Mäusen bleiben mütterliches und väterliches Erbgut wohl während der ersten Zellteilung voneinander getrennt – weil sich zu Beginn der ersten Zellteilung nicht nur ein Spindelapparat bildet, sondern zwei: einer für mütterliche Chromosomen und einer für väterliche Chromosomen. Das konnte eine Forschergruppe vom European Molecular Biology Laboratory (EMBL) in Heidelberg mithilfe einer modernen Mikroskopie-Technologie beobachten, der Lichtscheiben- bzw. Lichtblattmikroskopie. Das elterliche Erbgut bleibt also noch während der ersten Zellteilung voneinander getrennt und „vermischt“ sich erst, wenn die erste Teilung abgeschlossen ist. (Eine kurze Erklärung zu Zellteilung bei Säugetieren und zur Einordnung dieser Ergebnisse finden Sie unter den Statements.)

Weiterhin konnten die Forscher Fehler in der Embryonalentwicklung, die häufig bei Säugetieren auftreten, auf diese Entdeckung zurückführen, etwa die Entwicklung von zu vielen Zellkernen. Die zwei Spindelapparate müssen sich parallel anordnen, damit sich genau zwei Zellkerne mit identischem Erbgut für zwei Zellen ausbilden können. Die Forschungsergebnisse wurden als Report im Fachjournal Science veröffentlicht, zusammen mit einem Begleitkommentar (siehe Primärquellen).

In dem Kommentar reißen zwei deutsche Forscherinnen mögliche Folgen dieser neuen Ergebnisse an: Falls sich die Erkenntnisse auch beim Menschen bestätigen würden, dann könnte dies weitreichende Konsequenzen haben, bis hin zu rechtlichen Aspekten. Die Kommentatorinnen regen an, dass die derzeitige Definition vom Beginn des Lebens mit der Verschmelzung von mütterlichen und väterlichen Erbgut überdacht werden müsste. Immerhin gilt dem deutschen Embryonenschutzgesetz zufolge die „befruchtete, entwicklungsfähige menschliche Eizelle vom Zeitpunkt der Kernverschmelzung“ [I] als Embryo. Eine neue Auslegung der Verschmelzung des Erbguts könnte sich in der In-vitro-Fertilisation in der Auswahl weiter fortgeschrittener Embryos zur Implantation niederschlagen.

Übersicht

PD Dr. Verena Nordhoff, Leiterin des reproduktionsmedizinischen Labors am Centrum für Reproduktionsmedizin und Andrologie, Universitätsklinikum Münster

Frau Prof. Dr. Hille Haker, Richard McCormick Endowed Chair für Christliche Ethik, Loyola University Chicago (USA) und ehemaliges Mitglied der Europäischen Gruppe für Ethik in den Wissenschaften und Neuen Technologien der Europäischen Kommission“ (EGE, 2005 bis 2016)

Herr PD Dr. Michele Boiani, Leiter der Arbeitsgruppe „Mouse Embryology“, Max-Planck-Institut für molekulare Biomedizin, Münster

Prof. Dr. Thomas Müller-Reichert, Leiter der Core Facility Cellular Imaging (CFCI), Technische Universität Dresden

Dr. Stephan Preibisch, Leiter der Arbeitsgruppe Mikroskopie, Bildverarbeitung und Modellierung von Entwicklungsprozessen in Organismen, Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin (MDC), Berlin

Statements

PD Dr. Verena Nordhoff

Leiterin des reproduktionsmedizinischen Labors am Centrum für Reproduktionsmedizin und Andrologie, Universitätsklinikum Münster

Auf die Frage, was sich am bisherigen Verständnis der Embryonalentwicklung von Säugetieren ändert:
„So viel ändert sich nun nicht. Natürlich ist es faszinierend, dass die Genome bis zur ersten oder zweiten Teilung noch getrennt sind, und nicht ‚wild‘ mixen. Die Analysen helfen uns, besser zu verstehen, dass Embryonen sich eben nicht alle gleich gut entwickeln und dass manchmal Zellen mit mehreren Kernen entstehen. Der Präimplantationsembryo hat jedoch die Möglichkeit, solche Zellen auszuschließen – aber nicht, wenn es alle beträfe – und mit den ‚übrigen‘ Zellen, die normal sind, weiter zu wachsen und zu normalen Nachkommen zu führen.“

Auf die Frage, inwiefern die Forschungsergebnisse auf den Menschen übertragbar sind:
„Das ist schwer zu sagen. Es gibt zwar Gemeinsamkeiten, aber auch Unterschiede bei Mensch und Maus. Zum Beispiel bringen menschliche Spermien Centriolen in die Eizelle ein, wie auch im Kommentar beschrieben wird (dazu [1]). Herausfinden kann man das nur, wenn man menschliche Embryonen untersuchen würde. Das wäre in Deutschland allerdings aufgrund des Embryonenschutzgesetzes nicht so einfach.“

„Embryonen, die multinukleäre (mehr Zellkerne aufweisende; Anm. d. Red.) Blastomeren aufweisen, sind auch heute schon bei der In-vitro-Fertilisation nicht Embryonen erster Wahl. Aber wie erwähnt können sich auch Embryonen mit den beschriebenen Auffälligkeiten in einer Zelle oder in zwei Zellen normal entwickeln, wenn noch genügend ‚normale‘ Zellen da sind. Diese Veröffentlichung [2] (einer Gruppe von Forschern in der Reproduktionsmedizin; Anm. d. Red.) erklärt, wie häufig und warum mehrkernigen Zellen auftreten können.“

„Die Methode, mit der die Autoren der neuen Studie gearbeitet haben, ist gut, aber zurzeit sicherlich zu aufwändig für die klinische Routine.“

Frau Prof. Dr. Hille Haker

Richard McCormick Endowed Chair für Christliche Ethik, Loyola University Chicago (USA) und ehemaliges Mitglied der Europäischen Gruppe für Ethik in den Wissenschaften und Neuen Technologien der Europäischen Kommission“ (EGE, 2005 bis 2016)

„Die Ergebnisse zeigen einmal mehr, wie wichtig die biologische und embryologische Grundlagenforschung ist. Nicht nur das Ergebnis dieser Studie ist wichtig, sondern auch die dabei verwendete neue Mikroskop-Technologie, die die Darstellung der Entwicklung von Maus-Embryonen ermöglicht, ohne sie dabei zu gefährden. Dies könnte für die Übertragung auf die Forschung an menschlichen Embryonen besonders relevant sein.“

„Wichtig ist, zu wissen, welche Fragen wir stellen müssen, und dafür gibt die Studie wichtige Hinweise: Die Forschung kann nun präziser die Rolle der bei Mäusen nicht vorhandenen Zentrosomen in den Blick nehmen (in der Spermienzelle; siehe auch Statement von Herrn Müller-Reichert; Anm. d. Red.) und die Rolle der Chromosomen für die embryonale Entwicklung zielgenauer untersuchen.“

„Es ist für Paare in der Behandlung mit In-vitro-Fertilisation (IVF) eine große Belastung, wenn sich frühe Embryonen nicht so entwickeln, dass sie transferiert werden können. Die Studie sollte aber nicht dazu führen, voreilige Schlüsse in Bezug auf die Reproduktionsmedizin zu ziehen: Für die klinische Praxis bleibt abzuwarten, was weitere Studien ergeben, bevor wir wissen können, was dies für die IVF-Behandlung bedeutet – zum Beispiel für das Einfrieren von frühen Embryonen. Dies wird in den vergangenen Jahren von Paaren in Großbritannien immer mehr genutzt, während es in Deutschland viel komplizierter ist und zudem nur im Vorkernstadium erlaubt ist. Hier gibt es in Zukunft womöglich rechtlichen Handlungsbedarf aufgrund der neuen Erkenntnisse, und dies wäre für Paare unmittelbar relevant. Aber da sind wir heute sicher noch nicht!“

„Ohnehin hat sich die Embryonalforschung seit den 1990er Jahren weiterentwickelt, so dass eine Präzisierung der Begrifflichkeit bezüglich der Entwicklung des menschlichen Embryos beinahe zwangsläufig erfolgen muss. Immerhin ist der Prozess der Kernverschmelzung von Ei- und Samenzelle komplexer, als dies bei Abfassung des Gesetzes angenommen wurde. Für die Forschung ist die präzise Beantwortung der Frage, wann genau der Schutz des menschlichen Lebens beginnt, aber unmittelbar relevant, weil ein Verstoß dagegen strafrechtliche Folgen hat.“

„Wissenschaft, Ethik und Recht müssen allesamt darauf reagieren, dass mit der In-vitro-Fertilisation soziale Begriffe ihre Bedeutung verändern: ‚Empfängnis’ ist zum Beispiel ein Begriff, der wissenschaftlich nur einen geringen Aussagewert hat, aber für die Gegner des Schwangerschaftsabbruchs zentral ist. Die Entstehung des menschlichen Lebens ist ein Prozess, den wir immer besser verstehen. Wegen der rechtlichen Regulierungen muss der Schutz sich jedoch an Entwicklungspunkten orientieren. Ein abgestufter Schutz bleibt dabei immer etwas willkürlich, weil eben kein absoluter Umschlagpunkt angegeben werden kann. Die Studie mag in der Tat zur Erkenntnis führen, dass die Vereinigung der beiden elterlichen Genome auch beim Menschen anders und etwas später erfolgt als bisher angenommen – und im Sinne des deutschen Embryonenschutzgesetzes müsste dies dazu führen, dass der rechtliche Schutz erst dann beginnt. Sollten die Ergebnisse auf menschliche Embryonen übertragbar sein – was abzuwarten bleibt –, wird dies gewiss den Streit über das Embryonenschutzgesetz wieder entfachen.“

„Wir müssen aber in der Diskussion zwischen den verschiedenen Sprachspielen von Wissenschaft, Religion, Ethik und Recht unterscheiden: Viele Religionen vertreten eine Position der Achtung gegenüber dem menschlichen Leben, womit sie meinen, dass jenseits aller biologischen Bedingungen Leben im religiösen Sinn ‚empfangen’ wird und daher auch schutz-würdig ist. Die Ethik kann diese Interpretation einer geschuldeten Achtung, die alle großen Religionen bei all ihrer Pluralität vertreten, aufnehmen; zugleich wird sie aber davor warnen, die unbedingte Achtung mit dem absoluten (Lebens-)Schutz zu verwechseln – sonst geraten zum Beispiel die schwangeren Frauen aus dem Blick, oder der Schutz von Embryonen wird unverhältnismäßig überhöht.“

„Für menschliche Embryonen, die in Kliniken ‚hergestellt’ werden, stellen sich die ethischen Verantwortungsfragen anders als bei Schwangerschaften. In diesen Kontexten werden menschliche Embryonen zunehmend als organische Zellen betrachtet, die keine Ähnlichkeit mit den späteren Föten haben. Hier stellt unsere Wahrnehmung uns eine Falle, die dazu führen kann, dass die Achtung vor dem menschlichen Leben in seinem frühesten Stadium schleichend verloren geht. Ethik und Recht müssen aber die Einsicht verteidigen, dass auch Embryonen im Labor, die (noch) keinen Lebenszusammenhang haben, unter den moralischen und rechtlichen Schutz fallen. Die Frage, ob und wie der unbedingte, aber nicht absolute Schutz menschlichen Lebens gewährleistet werden kann, stellt sich nicht nur praktisch, sondern eben auch grundsätzlich.“

Herr Priv.-Doz. Dr. Michele Boiani

Leiter der Arbeitsgruppe „Mouse Embryology“, Max-Planck-Institut für molekulare Biomedizin, Münster

„Es wurde bereits im Jahr 2005 an Mäusen gezeigt [3, dort insb. Fig. 1C], dass sich die Chromosomen des mütterlichen und väterlichen Vorkerns in der entstehenden Spindel nicht miteinander mischen. Die jetzt veröffentlichte Studie von Reichmann et al. liefert jedoch eine mechanistische Erklärung: Jeder Vorkern besitzt seine eigene Spindel, bis beide sich vereinen.“

„Die Schlussfolgerung, dass Lehrbücher umgeschrieben werden müssen, halte ich für voreilig. Sicher ist aber, dass die neuen Beobachtungen einen sehr wichtigen Beitrag zum Verständnis der Entstehung von Aneuploidien (Genommutation, bei der zu viele oder zu wenige Chromosomen vorliegen; Anm. d. Red.) leisten: multiple Spindeln, die bei der Vereinigung gescheitert sind.“

„Anhand der neuen Daten eine Diskussion über den Anfang des embryonalen Lebens zu entfachen, halte ich persönlich für übereilt. Es gibt in der Biologie Prozesse und zeitliche Übergänge; und jetzt wissen wir, dass auch die Chromosomen der maternalen und paternalen Vorkerne ihre Zeit brauchen, um sich miteinander zu mischen. Heißt das, dass das embryonale Leben später anfängt? Nein. Biologisch gesehen fängt das embryonale Leben mit der Befruchtung an. Das Embryonenschutzgesetz hat den Zeitpunkt der Verschmelzung der Vorkerne als Kriterium gesetzt, obwohl das biologisch fraglich war. Dieser Zeitpunkt wurde gewählt, weil es einfach zu nutzen ist – im Gegensatz zur Befruchtung oder zur Anwendung von komplexen bzw. invasiven Methoden wie der Lichtscheiben-Mikroskopie in Verbindung mit molekularer Analyse: Es reicht ein Stereomikroskop (Lichtmikroskop mit je einem Strahlengang für die zwei Augen; Anm. d. Red.). Der entscheidende Punkt war und ist die Totipotenz (Fähigkeit einer Zelle, sich in einen vollständigen Organismus zu entwickeln; Anm. d. Red.). Ob die mütterlichen und väterlichen Chromosomen sich mischen oder nicht, scheint egal zu sein, da die Mäuse sich in beiden Fällen gut entwickeln und geboren werden (siehe Tabelle S1 in der Publikation).“

„Da die murinen und die humanen Eizellen (Eizellen von Mäusen bzw. Menschen; Anm. d. Red.) jeweils über Mikrotubuli-organisierende Zentren (MTOCs) bzw. Zentriolen verfügen, sind die Ergebnisse von Reichmann et al. nur mit Vorsicht auf den Menschen übertragbar. Ich persönlich halte diese Möglichkeit jedoch für ziemlich wahrscheinlich.”

Prof. Dr. Thomas Müller-Reichert

Leiter der Core Facility Cellular Imaging (CFCI), Technische Universität Dresden

„Dies ist sicherlich eine sehr erstaunliche Beobachtung, die so nicht zu erwarten war. Es kommt immer wieder vor, dass biologische Prozesse bei genauerem Betrachten doch etwas anders ablaufen als bisher beschrieben. Dies zieht dann eine Überarbeitung von Textbüchern nach sich. Interessant ist hier, wie die erste mitotische Teilungsspindel im Mausembryo gebildet wird. Die nachfolgende frühe Embryogenese der Maus ist davon nicht betroffen.“

Auf die Frage, inwiefern die Forschungsergebnisse auf den Menschen übertragbar sind:
„Dies muss im Detail erst geklärt werden. Die Ergebnisse des Mausmodells können nicht einfach auf die menschliche Zygote übertragen werden. Die Nagetiere, also die Mäuse (Rodentia), haben einige zytologische Besonderheiten, die so beim Menschen nicht vorkommen. Normalerweise bringt bei einer Befruchtung das Spermium ein paar Zentriolen mit in die Eizelle – bei Nagern ist das aber nicht so. Da gelangen zwar die väterlichen Chromosomen in die Eizelle, aber eben keine Zentriolen. Deswegen bilden sich bei der ersten mitotischen Teilung sogenannte microtubule organizing centers (MTOCs, Mikrotubuli-organisierende Zentren). Die Zentriolen entstehen bei der Entwicklung von Mäusen und anderen Nagern erst später.“

„Ich bin kein Jurist oder Theologe. Zur aktuellen Rechtsprechung kann ich keine Aussage treffen. Vom biologischen Standpunkt aus beginnt die Embryogenese mit der Verschmelzung des Spermiums mit der Eizelle. Die Ausbildung der ersten Teilungsspindel ist biologisch betrachtet ein nachfolgender Aspekt. Eine verspätete Vermischung der mütterlichen und väterlichen Erbanlagen wird auch im Rundwurm C. elegans beobachtet. Hier ist die Ursache die ‚halbgeschlossene Mitose’, bei der die Membran der Vorkerne erst sehr spät abgebaut wird. Eine verspätete Verschmelzung der elterlichen Erbanlagen kann natürlich zu zusätzlichen frühembryonalen Fehlern in der Chromosomenverteilung führen. Diese Fehlerquellen müssen in weiteren grundlegenden Studien untersucht werden.“

„Hier wird eine topaktuelle Methode der Lichtmikroskopie für dieses spannende Projekt eingesetzt. Mittels Lichtscheiben-Mikroskopie können bestimmte Bereiche der Zelle beleuchtet werden, sodass durch Licht induzierte Schädigungen in der lebenden Zelle minimiert werden können. Zudem kann es mit dieser Methode zu einer sehr schnellen Datenaufnahme kommen. Dieser Ansatz wurde in der vorliegenden Arbeit hervorragend umgesetzt.”

Dr. Stephan Preibisch

Leiter der Arbeitsgruppe Mikroskopie, Bildverarbeitung und Modellierung von Entwicklungsprozessen in Organismen, Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin (MDC), Berlin-Buch

„Die bedeutende Entdeckung, dass zwei unabhängige Spindelapparate das genetische Material von Mutter und Vater noch nach der Befruchtung separieren, ist erst durch den Einsatz modernster Lichtblattmikroskopie-Technologie möglich. Diese erlaubt es, biologische Proben über lange Zeiträume mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung aufzunehmen und dabei die Entwicklung kaum zu stören. Moderne Lichtblattmikroskope erzeugen dementsprechend sehr hohe Datenmengen, die vor einer biologischen Interpretation rekonstruiert und prozessiert werden müssen. Diese Studie belegt jedoch eindrucksvoll die Möglichkeiten solch einer Technologie und betont einmal mehr die immense Bedeutung von Technologieentwicklung in der Biologie.“

Angaben zu möglichen Interessenkonflikten

Herr PD Dr. Michele Boiani: „Interessenkonflikte habe ich keine.“

Alle anderen: Keine angegeben.

Primärquellen

Reichmann J et al. (2018): Dual-spindle formation in zygotes keeps parental genomes apart in early mammalian embryos. Science.

Zielinska AP et al. (2018): Double trouble at the beginning of life. Science.

Literaturstellen, die von den Experten zitiert wurden

[1] Fishman EL et al. (2018): A novel atypical sperm centriole is functional during human fertilization. Nature Communication, 9. DOI: 10.1038/s41467-018-04678-8.

[2] Alpha Scientists in Reproductive Medicine and ESHRE Special Interest Group of Embryology (2011): The Istanbul consensus workshop on embryo assessment: proceedings of an expert meeting. Human Reproduction, 26 (6), 1270-83. DOI: 10.1093/humrep/der037.

[3] Plusa et al. (2005): The first cleavage of the mouse zygote predicts the blastocyst axis. Nature;434(7031):391-395. DOI: 10.1038/nature03388.

Weitere Recherchequellen

[I] Gesetz zum Schutz von Embryonen (Embryonenschutzgesetz – ESchG). §8 Begriffsbestimmung.

Hintergrundinformationen

Zellteilung bei Säugetieren in Kürze

Der Zellkern des Spermiums enthält das väterliche Erbgut und die Eizelle enthält in ihrem Zellkern das mütterliche Erbgut. Wird eine Eizelle von einem Spermium befruchtet, wandert der Zellkern des Spermiums in die Eizelle. Dann lösen sich die Hüllen der beide Zellkerne auf und die Kernteilung (Mitose) und anschließende Zellteilung beginnen. Dabei ordnen sich die Chromosomen auf einer Ebene in der Zelle an. Der Spindelapparat an den Polen der Zelle bildet Fasern aus, die an den Chromosomen andocken und sie in Richtung der Pole auseinanderziehen. Dadurch werden die Chromosomen in zwei Schwesterchromatiden getrennt und zu den gegenüberlegen Polen gezogen. Um die zwei Ansammlungen von Chromatiden bildet sich jeweils eine neue Kernhülle. Die beiden entstandenen, identischen Zellen schnüren sich voneinander ab.

Bisher ging man davon aus, dass ein einziger Spindelapparat alle Chromosomen dirigiert. Die neuen Erkenntnisse lassen vermuten, dass es – zumindest bei der Maus – zwei Spindelapparate gibt: einen für mütterliche Chromosomen und einen für väterliche Chromosomen. Die beiden Spindelapparate müssen sich parallel zueinander ausrichten, damit sich genau zwei Zellkerne, und nicht mehr Kerne, für zwei Zellen mit identischem Erbgut bilden können.