Wann genau wird aus Spermium und Eizelle ein Embryo? Ein neues, schützenswertes Leben? Bisher dachte man, dass der mütterliche und väterliche Zellkern bei Säugetieren direkt nach der Befruchtung miteinander verschmelzen. Laut einer neuen Studie bleiben die zwei Chromosomensätze aber während der ersten Zellteilung getrennt. Die Studie des Europäischen Laboratoriums für Molekularbiologie (EMBL) (Science: Reichmann et al., 2018) könnte damit den Zeitpunkt der Embryoentstehung neu definieren.

Bevor sich die Chromosomen bei der Zellteilung verdoppeln, werden sie getrennt. Dafür reihen sie sich an einer fadenartigen Struktur in der Zelle auf, einer sogenannten Spindel. Nach der bisherigen Auffassung ist eine einzelne Spindel für die Auftrennung aller Chromosomen eines Embryos verantwortlich. Die im Wissenschaftsmagazin Science veröffentlichte Studie zeigt jedoch, dass es bei Mausembryos bei der ersten Zellteilung zwei Spindeln gibt, je eine für einen elterlichen Chromosomensatz. Diese Doppelspindel trennt die Erbinformationen während der ersten Zellteilung noch voneinander. Ein gemeinsamer Zellkern wird erst danach gebildet. Ein vom EMBL veröffentlichtes Video zeigt den Prozess.

Die Erkenntnis ist möglicherweise auch rechtlich relevant. Denn einige Länder, darunter auch Deutschland, setzen als Beginn des schützenswürdigen menschlichen Lebens die Verschmelzung der elterlichen Zellkerne nach der Befruchtung an. Sollte der Prozess beim Menschen ähnlich wie bei den untersuchten Mäuseembryos ablaufen, käme es einige Stunden später als gedacht zur Entstehung neuen Lebens.

Erklärung für Fehler bei ersten Zellteilungen

Die neu entdeckte Doppelspindel könnte aber auch einen Teil der hohen Fehlerrate bei den ersten Zellteilungen von Säugetieren erklären. Durch Fehler bei der Auftrennung der Chromosomen können sich etwa Zellen mit mehreren Zellkernen bilden, ein häufiger Grund dafür, dass sich ein Embryo nicht weiterentwickelt. "Ziel dieses Projekts war es, herauszufinden, warum bei den ersten Teilungen so viele Fehler passieren", sagt Jan Ellenberg, der Leiter des Projekts am EMBL. "Wir wussten bereits, dass bei einfacheren Tieren wie Insekten zwei Spindeln gebildet werden, hätten aber niemals vermutet, dass dies auch bei Säugetieren wie Mäusen der Fall ist." In Zukunft sei es wichtig, herauszufinden, ob der Prozess beim Menschen genauso abläuft, sagt Ellenberg. Auch in der Forschung zur Unfruchtbarkeit beim Menschen könne es dadurch Fortschritte geben.

Die Ergebnisse könnten auch ein altes Rätsel der Embryologie lösen: Die elterlichen Chromosomen ordnen sich in den runden Zellkernen der zweizelligen Embryonen zu zwei Halbmonden an. Bisher gab es keine schlüssige Erklärung für dieses Phänomen. "Anfangs haben wir die Bewegungen der elterlichen Chromosomen verfolgt, wir konnten aber keine Ursache für diese Verteilung finden", sagt Judith Reichmann, Wissenschaftlerin am EMBL und Erstautorin des Artikels. "Erst, als wir unsere Aufmerksamkeit auf die Mikrotubuli – die dynamischen Strukturen, aus denen die Spindeln bestehen – richteten, konnten wir zum ersten Mal die Doppelspindeln sehen."

Ganz neu sind die Ergebnisse freilich nicht, erklärt Michael Boiani, Leiter der Arbeitsgruppe "Mouse Embryology" am Max-Planck-Institut für molekulare Biomedizin Münster dem Science Media Center Deutschland: "Es wurde bereits im Jahr 2005 an Mäusen gezeigt (Nature: Plusa et al.), dass sich die Chromosomen des mütterlichen und väterlichen Vorkerns in der entstehenden Spindel nicht miteinander mischen." Die jetzt veröffentlichte Studie liefere jedoch mit der Entdeckung zweier Spindeln eine mechanistische Erklärung.

Möglich wurde die Entdeckung erst durch eine technische Neuerung, die Forscher des EMBL weiterentwickelt haben*: die Lichtblattmikroskopie. Embryonen sind in den frühen Entwicklungsstadien sehr lichtempfindlich und werden durch herkömmliche lichtmikroskopische Methoden geschädigt. Durch das neue Verfahren werden sie nur sehr kurz und räumlich präzise beleuchtet, damit lassen sich auch bislang verborgene Vorgänge beobachten.

*Anmerkung: In einer früheren Version hieß es, Forscher des EMBL hätten die Lichblattmikroskopie entwickelt. Das ist nicht korrekt. Sie haben die schon vor längerer Zeit entdeckte Technik nur weiterentwickelt. Wir bitten, diese Ungenauigkeit zu entschuldigen.