Fadenwürmer: Nahrungsmangel prägt die nächste Generation

Eine Studie liefert neue Einblicke, wie Umweltbedingungen über Generationen hinweg nachwirken können. Anhand von Fadenwürmern konnten Forschende zeigen, dass die Ernährung der Muttertiere das frühe Wachstum ihrer Nachkommen beeinflusst.

Bekommen die Muttertiere weniger Nahrung, statten sie ihre Nachkommen mit weniger Ribosomen, den „Proteinfabriken“ der Zellen, aus. Die Nachkommen wachsen dadurch anfangs langsamer. Die Studie unter der Leitung der Universität Bern eröffnet auch neue Perspektiven auf die nicht genetische Vererbung.

Ribosomen wichtig für Proteinproduktion

Ob ein Organismus schnell oder langsam wächst, hängt stark von den verfügbaren Nährstoffen ab. Wenn wenig Nahrung zur Verfügung steht, schaltet der Organismus auf Sparmodus. Er drosselt den Stoffwechsel und investiert weniger Energie in das Wachstum und auch in die Produktion der für das Wachstum benötigten Proteine. Die Proteinproduktion geschieht in den „Proteinfabriken“ der Zellen, den sogenannten Ribosomen.

Sind weniger Nährstoffe vorhanden, reduziert ein Organismus die Anzahl der Ribosomen. Gibt es weniger Ribosomen, werden auch weniger Proteine hergestellt – dadurch wachsen die Zellen langsamer und teilen sich seltener. Wie aber wirken sich solche Anpassungen bei Organismen auf deren Nachkommen aus?

Hier setzt eine neue Studie unter der Leitung von Prof. Benjamin Towbin vom Institut für Zellbiologie der Universität Bern an. Sie entstand in Zusammenarbeit mit dem Centre for Genomic Regulation in Barcelona. Am winzigen Fadenwurm, Caenorhabditis elegans, zeigen die Forschenden, dass die Ernährungsbedingungen der Muttertiere bestimmen, wie gut deren Nachkommen später wachsen. Die Studie wurde soeben in PLOS Biology publiziert.

Fadenwürmer als Modell: Neue Einsichten in die Folgen von Nahrungsmangel

Für ihre Studie nutzte das Forschungsteam den Fadenwurm C. elegans, ein häufig verwendeter Modellorganismus in der Forschung. „Ein Modellorganismus ist eine Tier-, Pflanzen- oder Mikrobenart, die besonders häufig in der Forschung verwendet wird, weil man an ihr grundlegende biologische Prozesse gut untersuchen kann“, erklärt der Forschungsgruppenleiter Benjamin Towbin. Mit Hilfe von CRISPR/Cas9-Genomediting veränderten die Forschenden die Fadenwürmer so, dass ihre Ribosomen fluoreszent leuchteten.

Anschliessend gaben die Forschenden den Fadenwürmern entweder weniger Futter als normal oder versorgten sie ohne Einschränkung der Nahrung. Mittels hochauflösender Fluoreszenz-Videomikroskopie untersuchte das Team die Anzahl Ribosomen pro Zelle sowohl in den Muttertieren als auch in ihren Nachkommen. Diese Technik erlaubt es, fluoreszierende Strukturen in lebenden Zellen oder Organismen über Tage hinweg zu filmen. Dadurch ist es möglich, die Entwicklung der Strukturen zu beobachten. So konnten die Forschenden gleichzeitig feststellen, wie schnell die Fadenwürmer wachsen und wie viele Ribosomen sich in ihren Zellen befinden.

Vererbte Anzahl an Ribosomen entscheidet über Wachstum

„Die Fadenwürmer, die wir mit einer reduzierten Nahrungsmenge ausstatteten, wiesen eine geringere Anzahl an Ribosomen auf. Dies war zu erwarten“, erklärt Towbin. Die Studie zeigt nun jedoch, dass auch bei einer frisch geschlüpften Larve die Anzahl an Ribosomen deutlich reduziert ist, wenn die Nahrungszufuhr der Mutter zuvor eingeschränkt wurde.

„Wir konnten also nachweisen, dass ein Fadenwurm die eigene Ausstattung an Ribosomen an die Nachkommen weitergibt“, sagt Sigma Pradhan. Sie ist Erstautorin der Studie und ehemalige Doktorandin am Institut für Zellbiologie der Universität Bern. Die Wissenschaftler konnten zeigen, dass die Weitergabe der Ausstattung an Ribosomen darüber erfolgt, dass die Mutter abhängig von den eigenen Nahrungsbedingungen die Zusammensetzung der sich entwickelnden Eizellen verändert. So wird festgelegt wie viele Ribosomen im Ei entstehen und an die Nachkommen weitergegeben werden.

Dies hat zur Folge, dass die Nachkommen mit weniger „Proteinfabriken“ ins Leben starten. Dadurch produzieren sie weniger für das Wachstum benötigte Proteine und wachsen zunächst langsamer. Spätere Entwicklungsschritte werden dadurch mit Verzögerung erreicht. Die Anzahl der Ribosomen, die Mütter an ihre Nachkommen weitergeben, kann deren Entwicklung und Überlebenserfolg also massgeblich beeinflussen. „Bisher ging man davon aus, dass äußere Reize, wie etwa Hunger oder Stress, über eine lange Kette miteinander verknüpfter molekularer Schritte zu einer Reaktion innerhalb der Zelle führen“, erklärt Towbin.

„Überraschenderweise zeigt unsere Studie nun, dass es nicht nur solche komplexen Wege braucht, damit Nachkommen auf ihre Umweltbedingungen reagieren können. Ein vergleichsweise einfacher und grundlegender Mechanismus, nämlich die Anzahl an verfügbaren Ribosomen, welche von den Muttertieren im Ei abgelegt werden, reicht aus, um zu erklären, wie sich Ernährungsbedingungen auf die Nachkommen auswirken“, so Pradhan. „Verfügen die Nachkommen, anders als ihre Mutter, nach der Geburt, über ausreichend Nahrung, normalisiert sich ihre Anzahl an Ribosomen irgendwann. Dadurch wachsen und entwickeln sich die Tiere nach einiger Zeit wieder normal.“

Ein Wachstumsregler, der bei vielen Arten vorkommt

Über diese Entdeckung hinaus konnten die Forschenden durch genetische Experimente zeigen, dass ein wichtiger „Schalter“ für das Wachstum, der sogenannte mTORC1‑Signalweg, die Weitergabe der Anzahl an Ribosomen der Muttertiere an ihre Nachkommen bestimmt. Die Forschenden konnten diesen Schalter in den Muttertieren kippen, das heisst, den mTORC1-Signalweg gezielt stoppen. Als Folge davon hatten die Nachkommen reduzierte Ribosomen, selbst wenn ausreichend Nährstoffe vorhanden waren.

Viele Lebewesen, von Hefepilzen bis zum Menschen, besitzen diesen Schalter in ihren Zellen. Sie steuern damit vor allem, wie stark ihre Zellen wachsen und wie sie ihre Nahrung nutzen. Zu diesem Zweck integriert der mTORC1‑Signalweg diverse Signale aus der Zelle und ihrer Umgebung – etwa darüber, ob genügend Nährstoffe und Energie vorhanden sind – und entscheidet darauf basierend, ob das Wachstum gefördert oder gebremst wird. „mTORC1 ist also eine Art Steuerzentrale, die entscheidet, ob Zellen wachsen“, erklärt Towbin.

„Dass dieser Signalweg bei der Weitergabe der Anzahl an Ribosomen von der Mutter an ihre Nachkommen involviert ist und dieser bei vielen Lebewesen vorhanden ist, deutet darauf hin, dass ähnliche Mechanismen auch in anderen Lebewesen eine Rolle spielen könnten – auch wenn unsere Studie nur an Fadenwürmern durchgeführt wurde“, so Pradhan.

Neue Perspektive auf nicht-genetische Vererbung

„Da es sich hier um Grundlagenforschung handelt, ist es derzeit schwierig zu sagen, inwiefern diese Ergebnisse auf andere Organismen, oder gar den Menschen, übertragbar sind“, so Towbin. Die Studie eröffnet aber eine neue Perspektive für das Verständnis nicht-genetischer Vererbung und der Entwicklungsbiologie im Allgemeinen. „Wir wissen nun, dass nicht nur die Gene im Erbgut, also die DNA, an die Nachkommen weitergegeben werden, sondern auch bestimmte Eigenschaften, die durch die Lebensumstände der Muttertiere geprägt wurden – in unserem Fall durch den Nahrungsmangel und die dadurch veränderte Anzahl Ribosomen“, sagt Pradhan. Towbin fügt ergänzend hinzu: „Unsere Ergebnisse zeigen, dass solche Umweltbedingungen die Ausgangslage der nächsten Generation beeinflussen können, ohne dass sich die Gene selbst verändern.“

In einem nächsten Schritt werden die Forschenden untersuchen, ob die Produktion und der Abbau von Ribosomen auch andere wichtige Prozesse, wie das Überleben von Hungerzeiten oder die Alterung, erklären.