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Stammzellen Geweberegenration – Wie Zellen „umprogrammiert“ werden

| Redakteur: Dr. Ilka Ottleben

Für Wissenschaftler, die sich mit der Erneuerung von Geweben und Körperteilen beschäftigen ist der Geweihknochen von Hirschen ein interessantes Studienobjekt. Göttinger Forscher haben hier erstmals bei Säugetierzellen die Weitergabe eines so genannten Pluripotenzfaktors von Stammzellen an andere Zelltypen nachgewiesen.

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Abb. 1: Der Transkriptionsfaktor Oct4 (rot) wird aus der Umgebung des Zellkerns (blau) mittels einer durchgehenden Zellverbindung direkt in die Nachbarzelle abgegeben. (Bild: Hans Joachim Rolf)
Abb. 1: Der Transkriptionsfaktor Oct4 (rot) wird aus der Umgebung des Zellkerns (blau) mittels einer durchgehenden Zellverbindung direkt in die Nachbarzelle abgegeben. (Bild: Hans Joachim Rolf)

Göttingen – Verlorene Körperteile vollständig oder zumindest teilweise ersetzen? Säugetiere sind dazu generell nicht in der Lage. Nur ein einziges Beispiel aus dem Tierreich ist bekannt, bei dem ein ausgewachsenes Säugetier ein Körperteil in einem relativ kurzen Zeitraum vollständig wiederherstellen kann. Es ist das jährliche Erneuern der Geweihknochen der Hirsche (Cerviden). Aus diesem Grund ist der Geweihknochen ein interessantes Studienobjekt für Wissenschaftler, die sich mit Fragen der Erneuerung von Geweben und Körperteilen beschäftigen. Die Arbeitsgruppe um den Biologen Dr. Hans Joachim Rolf und den Mediziner Prof. Dr. Dr. Karl Günter Wiese aus der Abteilung Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie (Direktor: Prof. Dr. Dr. Henning Schliephake) der Universitätsmedizin Göttingen konnte jetzt zum ersten Mal nachweisen: Geweihstammzellen bauen eine direkte Verbindungen zu anderen Zelltypen auf und können auf diesem Weg sogenannte „Pluripotenzfaktoren“ an andere Zellen abgeben. Das bedeutet: Stammzellen können ihre Eigenschaften an andere Zellen weitergeben, um so neue Zellen mit gleichartigen Eigenschaften zu schaffen. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert die Arbeitsgruppe seit sechs Jahren.

Biologisches Prinzip der „Umprogrammierung“?

So berichten Dr. Rolf und Prof. Wiese mit ihren Kollegen und Mitarbeiterinnen von der Forschungsgruppe „Experimentelle Osteologie“ gemeinsam mit Kooperationspartnern aus der Abteilung Neuro- und Sinnesphysiologie der Universitätsmedizin Göt-tingen erstmals über einen Mechanismus, mit dem Stammzellen von erwachsenen Säugetieren wichtige Faktoren, welche die Eigenschaften und Fähigkeiten einer Zelle beeinflussen, auf andere Gewebezellen übertragen können. Dahinter steckt möglicherweise ein generelles biologisches Prinzip, mit dessen Hilfe „Stammzell-Nischen“ in Körpergeweben in der Lage sind, weiter differenzierte Zellen aus ihrer unmittelbaren Umgebung „umzuprogrammieren“. Dadurch kann eine größere Anzahl von Zellen mit „stammzellähnlichen“ Eigenschaften erzeugt werden. Dies nennt man die induzierte Pluripotenz. Durch die erweiterten „Stammzell-Nischen“ werden so in kurzer Zeit viele Zellen für die Regeneration von Gewebestrukturen bereitgestellt.

Das Geweih der Hirsche sitzt auf knöchernen Stirnzapfen, die als „Rosenstock“ bezeichnet werden. In einem jährlichen Zyklus fallen die Geweihe des Vorjahres von der Stirn des Tieres ab (Geweihabwurf), es bleiben offene Wunden zurück. Die Wundheilung und die Bildung der gleichzeitig entstehenden „Gewebeknospen“, aus denen neuer Geweihknochen hervorgeht, vollziehen sich in bemerkenswerter Geschwindigkeit. Bei größeren Arten, wie beim Rothirsch (Cervus elaphus), entwickelt sich neues Knochengewebe mit einer Wachstumsgeschwindigkeit von etwa einen Zentimeter pro Tag. Verantwortlich für dieses Wachstum sind Stammzellen. Stammzell-Populationen im Körper existieren in sogenannten „Nischen“. Diese speziellen Bereiche in den Körpergeweben werden bei Bedarf für notwendige Geweberegenerationen aktiviert. Die Göttinger Wissenschaftler nehmen an, dass auch bei Hirschen so eine „Stammzell-Nische“ in der Knochenhaut des Stirnzapfens vorhanden ist und dass die jährliche Regeneration des Geweihs von einer periodischen Aktivierung dieser Stammzellen abhängt.

Transkriptionsfaktor Oct4 und die Regulation der Pluripotenz von Zellen

Im Rahmen ihrer Forschungsprojekte zum Hirschgeweih hat sich die Göttinger Arbeitsgruppe mit dem Transkriptionsfaktor Oct4 (octamer-binding transcription factor 4) beschäftigt. Dieser wurde ursprünglich als „Marker“ für embryonale Stammzellen beschrieben. Mittlerweile wird er aber als ein entscheidender Faktor zur Regulation der Pluripotenz von Zellen angesehen. In Zellkulturexperimenten konnte gezeigt werden, dass Oct4 entweder allein oder im Zusammenspiel mit anderen Faktoren in der Lage ist, differenzierte Zellen „umzuprogrammieren“. Das heißt: Er vermittelt ihnen wieder Eigenschaften von Stammzellen. Unter Verwendung solcher Transkriptionsfaktoren ist es heute möglich, in Zellkulturen mit Hilfe unterschiedlicher Techniken auch bei differenzierten Säugetierzellen wieder stammzellähnliche Eigenschaften in diesen Zellen „künstlich“ herzustellen. Die benutzten Faktoren bewirken dabei eine „Rückentwicklung“ dieser Zellen bis hin zum Stadium einer Vorläuferzelle. Bis jetzt war völlig unbekannt, dass es möglicherweise auch eine natürliche Übertragung von Pluripotenzfaktoren gibt und dass diese eine funktionelle Bedeutung im Organismus haben könnte.

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