Wie Keratin neuem Leben Halt gibt

Zebrafische im Fokus

Für dieses Experiment beobachteten die Forschenden Embryonen von Zebrafischen (Danio rerio), die zu den wichtigsten Modellorganismen in der Entwicklungsbiologie gehören. Als Wirbeltiere sind sie dem Menschen evolutionär näher als etwa Fruchtfliegen, bei denen kein Keratin ausgebildet wird. Die Embryonen der Zebrafische sind zudem transparent und entwickeln sich außerhalb des Mutterleibs – beste Voraussetzungen für eine wissenschaftliche Untersuchung.

Im Fokus der Studie steht ein Vorgang, der in der Biologie als Epibolie bezeichnet wird. „Der Embryo sitzt ursprünglich nur als Zellballen auf einer riesigen Nährstoffquelle, die wie beim Ei Dotter genannt wird. Im Zuge der Epibolie breitet sich diese Zellschicht aus, um schließlich den gesamten Dotter zu umschließen“, erklärt Naik. „Während dieses Prozesses – das konnte die Heisenberg-Gruppe bereits früher zeigen – teilen sich die Zellen aber kaum. Das Gewebe wächst nicht durch eine Zunahme der Zahl der Zellen, sondern es wird gedehnt und unter großer mechanischer Spannung über die Nährstoffblase gezogen.“

Der gesamte Prozess wird von einer dünnen Gewebeschicht angetrieben, in der die embryonalen Zellen regelrecht verschmelzen – Zellkern und -flüssigkeit verschiedener Zellen teilen sich einen Raum. Diese Schicht entwickelt eine enorme Zugkraft, die das dünne Häutchen über die Dotteroberfläche zieht. Gerade rechtzeitig entstehen auch die nötigen Strukturproteine: „Die Keratine werden in den Zellschichten des Zebrafisch-Embryos genau in jenem Moment gebildet, in dem das Gewebe beginnt, sich zu bewegen“, betont der Biologe. „Nach der Aktivierung des entsprechenden Gens werden extrem schnell verschiedene Keratintypen produziert.“

Keratin-Gene per „Genschere“ ausgeschaltet

Welche Rolle diese Keratine bei den embryonalen Gewebebewegungen der Epibolie spielen, war jedoch bisher unklar. Naik nutzte deshalb die als „Genschere“ bekannt gewordene Geneditierungsmethode CRISPR-Cas9, um die für die Keratinproduktion verantwortlichen Gene auszuschalten – welche das genau sind, ist erst seit wenigen Jahren bekannt. Es konnte sich also kein Keratin-Netzwerk in den embryonalen Geweben bilden.

Das Ergebnis war, dass die Epibolie deutlich langsamer verlief. „Das wirkt widersprüchlich. Man könnte meinen, dass ohne die starren Keratine der Ausdehnungsvorgang leichter und schneller vonstattengeht“, sagt Naik. „Doch das Gegenteil ist der Fall. Die Zellen werden zwar tatsächlich geschmeidiger und flüssiger. Doch Messungen zeigten, dass die Viskosität des Gewebes reduziert war. Es war weicher und verformbarer, aber schwerer zu ziehen.“

Bei der Suche nach dem Grund für dieses widersprüchliche Ergebnis zeigte sich, dass sich die Zellen in gesunden Embryonen in Zugrichtung ausrichteten. „Beim Ziehen eines Gummibands sieht man Dehnungsstreifen entlang der Zugrichtung. Ähnlich verhält es sich im Gewebe“, veranschaulicht der Biologe. „Die Zellen richten ihre längste Achse in Zugrichtung aus. Ohne Keratin geht diese Neuausrichtung allerdings vollständig verloren. Die Zellen können keine Kräfte mehr untereinander übertragen.“

Ohne Keratin keine Kraftübertragung

Was die fehlende Kraftübertragung auf zellulärer Ebene bedeutet, haben die Forschenden in einem weiteren Experiment untersucht. „Wir haben in einer Gruppe von Zellen jene in der Mitte entfernt. Anschließend beobachteten wir, wie sich die Gewebebewegungen verändern – ein Setting, das in viel kleinerem Maßstab der Epibolie ähnlich ist“, skizziert Naik. „Das Resultat war, dass bei vorhandenem Keratin auch weiter entferntes Gewebe auf den Zellverlust reagierte. Fehlt es, bewegten sich hingegen nur die Zellen am unmittelbaren Rand der Wunde.“

Diese Erkenntnisse zur Kraftübertragung zwischen den Zellen könnten sich in Zukunft für die Entwicklung medizinischer Anwendungen als relevant erweisen. Beispielsweise ist eine fehlerhafte Ausbildung von Keratinen ein Kennzeichen jener schweren genetischen Erkrankung, die zu sogenannter Schmetterlingshaut führt. Auch bei der Regulation der Wundheilung spielt Keratin eine zentrale Rolle. Hier könnte aufbauende Forschung zu neuen Therapeutika führen, die etwa die Bildung einer neuen Hautdecke beschleunigt. Klar ist: Keratin ist viel mehr als ein passiver „Formgeber“ des Gewebes. Es bildet ein sensibles Netzwerk zur Interaktion und Kommunikation zwischen Zellen, dessen Bedeutung längst nicht abschließend erfasst ist.

Über die Forschenden

Suyash Naik studierte am Indian Institute of Science Education Research in der Stadt Pune im westindischen Bundesstaat Maharashtra. Der Biologe war PhD-Student in der Heisenberg Group am Institute of Science and Technology Austria (ISTA) in Klosterneuburg. Nun ist er Imaging Analyst in der Imaging & Optics Facility des ISTA.

Carl-Philipp Heisenberg war am Department of Anatomy and Developmental Biology des University College London und am Max-Planck-Institute of Molecular Cell Biology and Genetics in Deutschland tätig, bevor er 2010 als Professor ans ISTA berufen wurde. Seine Forschungsgruppe fokussiert hier auf die Morphogenese in der Embryonalentwicklung. Das von 2024 bis 2027 laufende Projekt „Keratine in der epithelialen Gewebeausbreitung" wird vom Wissenschaftsfonds FWF gefördert.

Publikation

Keratins coordinate tissue spreading by balancing spreading forces with tissue material properties, in: Nature Communications 17, 2026