4D-Entwicklungsatlas für Gene und Zellen Embryonalentwicklung in 4D: Wenn Zeit im Raum sichtbar wird

Wie wird aus einem winzigen Zellhaufen ein Embryo? Und wie koordinieren unzählige Gene diese Entwicklung? Eine neues Bildgebungsverfahren macht es nun möglich, die Aktivität tausender Gene gleichzeitig in einem gesamten Embryo sichtbar zu machen. Mithilfe dieser Technologie hat ein Forschungsteam der Universität Basel einen Atlas aller Gene und Zellen erstellt, die sich an der Entwicklung vom Zellhaufen zum Embryo beteiligen.

Das Zusammenspiel von Genen und Zellen während der Entwicklung von der befruchteten Eizelle zum Embryo ist hochkomplex. Bisherige Methoden erfassten die Genaktivität nur in zweidimensionalen Schnitten. Dadurch war eine Darstellung des gesamten Embryos nicht möglich, und die räumliche Auflösung blieb begrenzt. Zudem werden subzelluläre Muster so oft nicht erkannt.

Eine neue Methode ermöglicht es dem Forschungsteam um Prof. Dr. Alex Schier am Biozentrum der Universität Basel nun, die Aktivität tausender Gene gleichzeitig im gesamten Zebrafisch-Embryo sichtbar zu machen und sie mit Zellreifung und Zellbewegungen zu verknüpfen. Das Ergebnis ist ein umfassender Atlas der frühen Embryonalentwicklung und liefert neue Einblicke darin, wie Gene und Zellen den wachsenden Embryo formen. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift „Science“ veröffentlicht.

Ein 4D-Atlas für Gene und Zellen

„Eine zentrale Frage lautet: Wie arbeiten tausende Gene in einem Embryo zusammen, und wie ist ihre Aktivität mit der Bewegung der Zellen verknüpft?“, sagt Erstautorin Dr. Yinan Wan. Um diese Frage zu beantworten, entwickelte Schiers Team eine neue Bildgebungstechnologie namens weMERFISH. Sie erlaubt es, die Aktivität von nahezu 500 Genen in ganzen Geweben mit subzellulärer Auflösung direkt zu messen.

Auf Basis dieser Messungen erstellten die Forschenden ihren Atlas der frühen Embryonalentwicklung. „Durch die Kombination früherer Einzelzell-Daten mit unseren Messungen der Genaktivität konnten wir räumliche Muster tausender Gene sowie die Aktivität von rund 300.000 potenziellen regulatorischen Regionen berechnen“, erklärt Wan. Die Daten sind über die Webplattform „Merfisheyes“ frei zugänglich. „Der Atlas ist als Ressource für Entwicklungsbiologinnen und -biologen weltweit gedacht“, so Wan weiter.

Wenn Zeit im Raum sichtbar wird

Die Aufnahmen liefern nicht nur statische Bilder, sondern ermöglichen auch Rückschlüsse auf räumliche und zeitliche Prozesse. So beobachteten die Forschenden bei der Schwanzbildung, dass Zellen entlang der Körperachse in einer Abfolge von Entwicklungsstadien angeordnet sind: An der Schwanzspitze befinden sich unreife Stammzellen, weiter vorne zunehmend reife Zellen wie etwa Muskelzellen. „In gewisser Weise kann man Zeit im Raum sehen“, erklärt Wan.

„Überraschend war zudem, dass Veränderungen in der Genaktivität mit der Reifung und Wanderung der Zellen im Embryo korrelieren und damit die Dynamik der Genexpression mit morphogenetischen Bewegungen verknüpft ist.“

Scharfe Grenzen ohne Zell-Sortierung

Mithilfe des Atlas konnten die Forschenden auch klären, wie klare Grenzen zwischen verschiedenen Geweben entstehen, etwa zwischen Muskel- und Wirbelsäulengewebe. Sie entdeckten eine Zone von Zellen, in der sich die Aktivität vieler Gene stark verändert und sich von einer Gewebeseite zur anderen unterscheidet.

Der Vergleich früher und späterer Entwicklungsstadien zeigte, dass diese Gene zunächst auf beiden Seiten aktiv sind, später jedoch nur noch auf einer. Zudem gibt es kaum Zellen, die diese Grenze überschreiten. „Diese Grenzen entstehen nicht dadurch, dass sich Zellen vermischen und anschließend sortieren, sondern vor allem dadurch, dass Zellen ihr genetisches Programm verändern“, sagt Forschungsgruppenleiter Alex Schier.

Grundlage für zukünftige Studien

Mit weMERFISH, dem „Merfisheyes“-Atlas und der Integration von Live-Bildgebung steht der Forschung nun ein neues Werkzeug zur Verfügung. Es erlaubt die gemeinsame Analyse von Genaktivität, Genregulation und Zellbewegungen im gesamten Embryo.

Künftig möchte das Team um Alex Schier weitere Entwicklungsstadien untersuchen, um das Bild der frühen Wirbeltierentwicklung weiter zu vervollständigen. „Langfristig wollen wir verstehen, welche Kombinationen von Genaktivität und zellulärem Verhalten notwendig sind, um ein bestimmtes Organ oder Gewebe zu bilden“, so Schier. „Eines Tages könnten wir herausfinden, auf wie viele Arten sich ein Herz oder ein Rückenmark entwickelt.“

Originalpublikation Yinan Wan et al.: Whole-embryo Spatial Transcriptomics at Subcellular Resolution from Gastrulation to Organogenesis. Science (2026), doi: 10.1126/science.adt3439

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