Entwicklungsbiologie
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Überblick
Frühembryonale Musterbildung: I. Furchung
Eine weit verbreitete Vorstellung besagt, dass die Säugetier-Morula noch keine Vor-Informationen für die spätere Entwicklung der Körper-Achsen (d.h. wesentlicher Elemente der Körper-Grundgestalt) besitze. Demnach sollen die in dieser Entwicklungsphase ablaufenden Prozesse zunächst nur zu einer ersten Differenzierungsentscheidung zu zwei Zelltypen (zu extraembryonalen bzw. embryonalen Zellen, Trophoblast oder Embryoblast) führen, und die Festlegung von Körperachsen würde erst sehr viel später beginnen. Die Trophoblast-/Embryoblast-Determination komme durch die zufällige Positionierung der äquipotenten Furchungszellen (innen oder außen in der Morula) zustande (Innen-Außen-Hypothese, Polarisations-Hypothese). Die exzentrische Lage des Embryonalknotens und damit die Positionierung der Embryonal-Abembryonal-Achse (und der sich daraus später herleitenden Dorso-Ventralachse des Embryonalkörpers) käme bei der Entstehung der Blastozystenhöhle zufällig zustande (stochastisch) und würde anschließend durch Zytokin-Signalaustausch stabilisiert. Spezifischer ausgedrückt heißt dies, dass die Instruktionen für die Positionierung der späteren Dorso-Ventral-Achse des Embryonalkörpers nicht aus der Zygote stammen, vielmehr bleibt innerhalb dieses Gedankengebäudes deren Entstehung unerklärt. Für andere Achseninformationen (kranio-kaudal/anterior-posterior) wird von einigen Autoren spekuliert, dass sie erst bei der Implantation durch Instruktionen vonseiten des Uterus zustande kämen.
Unsere Befunde legen dagegen (im Einvernehmen mit einigen klassischen Untersuchungen) nahe anzunehmen, dass zumindest die Determination der Embryonal-Abembryonal-Achse (und damit einer späteren Körper-Hauptachse, der Dorso-Ventral-Achse) schon während der Furchung beginnt und sich daher möglicherweise von einer Asymmetrie des Zytoplasmas der Zygote herleitet. Wir haben postuliert, dass Furchungsstadien eine strukturelle Vor-Information besitzen in Form zweier Zentren, eines Zentrums höherer Zellteilungsaktivität (Proliferationszentrum) und eines Zentrums etwas früher einsetzender Differenzierung zu Trophoblast (Differenzierungszentrum). Diese zwei Zentren lägen sich in der Morula in etwa (aber nicht unbedingt genau) gegenüber. Der Ort der Entstehung der Blastozystenhöhle und damit die Lage des Embryonalknotens (und die Embryonal-Abembryonal-Achse) wäre danach vorbestimmt, und zwar dadurch, dass die Bildung der Blastozystenhöhle im Bereich des Differenzierungszentrums beginnt (dort, wo die präsumptiven Trophoblastzellen in ihrer Entwicklung zu Epithelzellen am weitesten fortgeschritten sind), und sie käme also nicht zufällig (stochastisch) zustande. Dies widerspricht dem Anspruch der oben genannten, bisher dominierenden Innen-Aussen- (Polarisations-) Hypothese, die wesentlichen Abläufe in der frühen Embryonalentwicklung erschöpfend zu erklären. Sie negiert nicht deren Kernaussagen über die Entstehung der epithelialen Organisationsform der präsumptiven Trophoblastzellen, ergänzt diese Vorstellungen aber durch eine überprüfbare Hypothese zur Entstehung der Embryonal-Abembryonal-Achse (Dorso-Ventral-Achse). Aufgrund der hohen Regulationsbefähigung der frühen Säugetierembryonen ist allerdings die hier postulierte Prädetermination der Dorso-Ventral-Achse nicht starr sondern bleibt zunächst modifizierbar. Interessanterweise wird diese von uns postulierte Achsen-Vorinformation in Furchungsstadien inzwischen durch neuere Befunde anderer Autoren (Untersuchungen an der Maus) untermauert, allerdings meist ohne unsere früheren Arbeiten zu zitieren.
Frühembryonale Musterbildung: II. Stammzellkolonien
Nicht nur totipotente Zellen (Zygote, Blastomeren) sondern auch pluripotente/omnipotente Stammzellen (z.B. ES-Zellen) können unter geeigneten Bedingungen mit frühembryonaler Musterbildung (Individuation) aus sich selbst heraus beginnen. So können Kolonien von ES-Zellen in der in-vitro-Kultur zellbiologische Grundprozesse der Gastrulation zeigen, d.h. des Vorgangs, der für die Bildung der Keimblätter wie auch der Körpergrundgestalt ausschlaggebend ist. Ähnliches ist von sogenannten „Embryoid Bodies“ bekannt. Dies passt zu dem bereits oben angesprochenen Bild von einer hohen Regulationsbefähigung während der frühembryonalen Musterbildung der Säugetierembryonen. Das in der Biologie weit verbreitete Prinzip der doppelten Sicherung sorgt dafür, dass nicht nur ein Weg möglich ist, d.h. nicht nur die oben (unter I.) diskutierte Segregation von Vor-Informationen (Asymmetrien) aus der Zygote, um eine Selbst-Strukturierung, Achsen-Determination und damit beginnende Individuation einleiten können. Das frühembryonale Zellsystem ist so geartet, dass stattdessen auch Surrogat-Asymmetrien als Ausgangspunkt für diese Kaskade von Musterbildungsprozessen verwendet werden können (zufällige Asymmetrien der Kultursysteme im Fall von Kolonien „pluripotenter“ Stammzellen in vitro, oder Asymmetrievorgaben vonseiten der Hilfszellen bei der tetraploiden Komplementierung). Die Beobachtungen über komplexe Musterbildungsprozesse in Kolonien von „pluripotenten“ Zellen (ES-Zellen) sind nicht nur für den entwicklungsbiologischen Theoretiker interessant sondern auch deswegen von Bedeutung, weil sie deutlich machen, dass wir aus ethischen Gründen im Umgang mit frühembryonalen menschlichen Zellen und „pluripotenten“ Stammzellen restriktiv sein müssen, denn sie besitzen Individuations-Potenz (s. Forschungsgebiet 1: Stammzellen).
Frühembryonale Musterbildung: III. Unabhängigkeit von der Implantation
Versuche über Implantationsblockade mit Proteinase-Inhibitoren beim Kaninchen zeigten in unseren Untersuchungen (s. Forschungsgebiet 4), dass die oben diskutierte frühembryonale Musterbildung (Achsendetermination, Individuation) von der Embryo-Implantation im Uterus unabhängig ist. Sie beruht auf autonomen Prozessen, die innerhalb des Embryos ablaufen. Dies widerspricht einer weit verbreiteten Vorstellung, die auf einigen wenigen Untersuchungen an der Maus beruhte und eine instruktive Rolle des Uterus für die Achsendetermination postulierte. Allerdings muss diese Vorstellung inzwischen auch für die Maus verlassen werden: Jetzt wurde auch in dieser Spezies mit molekularbiologischen Methoden dokumentiert, dass die Achsenbildungsprozesse autonom, sogar in vitro (ohne Implantation im Uterus), anlaufen.
Liste der Publikationen
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PDF-Download (615 KB)
DENKER, H.-W.:
Stem Cell-Derived Organoids, Embryoids, and Embryos: Advances in Organismic Development In Vitro Force Us to Re-Focus on Ethical and Legal Aspects of Model Choice.
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Organoids Website
PDF-Download (247 KB)
DENKER, H.-W.:
Wir brauchen eine Neudefinition des Begriffs "Embryo".
Deutsches Ärzteblatt 120 (33-34): A-1383 / B-1191 (21. August 2023).
Deutsches Ärzteblatt
PDF-Download (315 KB)
DENKER, H.-W.:
Autonomy in Stem Cell-Derived Embryoids.
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DENKER, H.-W.:
Autonomy in the Development of Stem Cell-Derived Embryoids:
Sprouting Blastocyst-Like Cysts, and Ethical Implications.
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PDF-Download (1,54 MB)
DENKER, H.-W.:
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(Comment on: KIME, C., KIYONARI, H., OHTSUKA, S., KOHBAYASHI, E., ASAHI, M., YAMANAKA, S., TAKAHASHI, M. & TOMODA, K.: Induced 2C Expression and Implantation-Competent Blastocyst-like Cysts from Primed Pluripotent Stem Cells. Stem Cell Reports 13:485-498, 2019).
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DENKER, H.-W.:
Recent embryo twinning data prompt reconsideration of theories on a crucial role of segregation of oocyte cytoplasmic constituents in mammals.
(Kommentar zu: CASSER, E., WDOWIK, S., ISRAEL, S., WITTEN, A., SCHLATT, S., NORDHOFF, V., BOIANI, M.: Differences in blastomere totipotency in 2-cell mouse embryos are a maternal trait mediated by asymmetric mRNA distribution. Molec. Hum. Reproduct. 25/11, 729-744, 2019. DOI: 10.1093/molehr/gaz051)
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PubMed
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Embryonen, Embryoide, Gastruloide... Ethische Aspekte zur Selbstorganisation und zum Engineering von Stammzellkolonien und Embryonen.
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Mentis (Brill) (Open Access)
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Abstract (40 KB)
PDF-Download (196 KB)
DENKER, H.-W.:
Embryonen und Embryoide: Gedanken eines Entwicklungsbiologen zu ethischen Implikationen von Autonomie und Machbarkeit.
(Lecture) Der manipulierbare Embryo: Potentialitäts- und Speziesargumente auf dem Prüfstand (Auftakttagung zum BMBF-Projekt "Der manipulierbare Embryo"), Eichstätt, Katholische Universität Eichstätt-Ingolstadt, 3.-5. Nov. 2016.
Vortrags-PDF (4,70 MB)
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Self-Organization of Stem Cell Colonies and of Early Mammalian Embryos: Recent Experiments Shed New Light on the Role of Autonomy vs. External Instructions in Basic Body Plan Development.
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DENKER, H.-W.:
„Totipotency“ of stem cells: Plasticity vs. self-organization capacity
(Kommentar zu: ISHIUCHI, T., ENRIQUEZ-GASCA, R., MIZUTANI, E., BOSKOVIC, A., ZIEGLER-BIRLING, C., RODRIGUEZ-TERRONES, D., WAKAYAMA, T., VAQUERIZAS, J.M., TORRES-PADILLA, M.E.: Early embryonic-like cells are induced by downregulating replication-dependent chromatin assembly. Nature Struct. Mol. Biol. 22: 662-671, 2015).
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PubMed PDF-Download (951 KB; Bitte beachten Sie die Urheberrechtshinweise der SIVBThis material has been published in In Vitro Cell. Dev. Biol. - Animal 46(6): 516-528 (2010), the only accredited archive of the content that has been certified and accepted after peer review. Copyright and all rights therein are retained by the Society for In Vitro Biology. This material may not be copied or e-posted without explicit permission of the copyright owner.
For more information about Reproduction Permission for this article, please visit the SIVB website by clicking on the link above or anywhere on this infobox.!)
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Poster (11,8 MB)
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Topochemie hochmolekularer Kohlenhydratsubstanzen in Frühentwicklung und Implantation des Kaninchens.
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