Molekulare Signalwege nach einer Verletzung Regeneration: Was steuert den nächsten Schritt der Wundheilung?

Die Hydra ist das Sinnbild der Regeneration, sowohl in ihrer mythologischen Darstellung als Monster mit nachwachsenden Köpfen, als auch in ihrer realen Inkarnation als Meerespolyp. Wie es dem Organismus gelingt, ganze Körperhälften zu regenerieren, haben Forscher aus Heidelberg auf molekularbiologischer Ebene untersucht.

Heidelberg – Eine abgetrennte Gliedmaße ist für manche Tiere nur ein zeitweiser Verlust: Sie lassen Körperteile einfach wieder Nachwachsen. Die Fähigkeit zur Regeneration ist bei Tieren allerdings sehr unterschiedlich ausgeprägt. Während die meisten Säugetiere und Wirbeltiere nur eine sehr begrenzte Regenerationsfähigkeit besitzen, können einfache und in der Evolution früh entstandene Tiere wie Nesseltiere und Planarien sogar ihren gesamten Körper regenerieren.

Geteilter Körper ist doppelter Körper

In allen Fällen beginnt die Regeneration mit der Wundheilung: An der Verletzungsstelle bilden die Zellen eine undifferenzierte Verdichtung – ein so genanntes Blastem, aus dem zerstörte Strukturen geordnet neu gebildet werden. Dabei werden genetische Prozesse aktiviert, die auch die Embryonalentwicklung kontrollieren. Welche molekularen Mechanismen hier wirken, hat das Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Dr. Thomas W. Holstein am Süßwasserpolypen Hydra untersucht, um so die Aktivierung der Regeneration in seinen Grundzügen besser zu verstehen.

Kernstück der Untersuchungen ist die Doktorarbeit von Anja Tursch. Sie hat das Schlüsselexperiment wiederholt, mit dem der Genfer Naturforscher Abraham Trembley im 18. Jahrhundert das Phänomen der Regeneration entdeckt hat. Dazu wird der Polyp Hydra in zwei Hälften geteilt, wobei in der oberen Hälfte ein neuer „Kopf“ und in der unteren Hälfte ein neuer „Fuß“ regeneriert – an der Schnittfläche in der Mitte können also aus ein- und demselben Gewebe unterschiedliche Körperteile entstehen. Aufbauend auf ihren früheren Arbeiten zur Regeneration bei Hydra haben die Wissenschaftler am Centre for Organismal Studies (COS) der Universität Heidelberg nun aufgezeigt, wie das möglich ist.

Enzym steuert Entstehung von Körperachsen

Warum wir keine zwei Köpfe haben

Von generischer Heilung zu geordneter Regeneration

Unabhängig davon, wo sie entsteht, löst jede Verletzung über Kalzium-Ionen und die Produktion reaktiver Sauerstoffspezies unspezifische Signale für eine Verletzungsantwort aus, also für die Wundheilung. Sie werden intrazellulär durch drei Mitogen-aktivierte Proteinkinasen (MAPK) übertragen. Die Aktivierung dieser drei MAPK-Moleküle ist sowohl für die Neubildung des Kopfes als auch des Fußes erforderlich. Angestoßen werden nachfolgend Signalwege, die bei der Embryonalentwicklung für die Bildung von Organanlagen und der Körperachse von Bedeutung sind. Das sind so genannte Wnt-Signalwege, benannt nach einem wichtigen Signalprotein. Damit werden die generischen Signale der Wundheilung in positionsspezifische Signale der Musterbildung und Zelldifferenzierung für die Regeneration überführt.

„Unsere Experimente zeigen, dass der Wnt-Signalweg zentraler Teil einer zunächst allgemeinen Verletzungsantwort ist und dann je nach Signalstärke das Gewebe in Richtung Kopf- oder Fußentwicklung steuert“, erläutert Studienleiter Holstein. So ist es auch möglich, bei einer MAPK-Hemmung die ansonsten ausbleibende Regeneration durch künstlich erzeugte, rekombinante Wnt-Proteine anzustoßen. „Überraschend war darüber hinaus, dass auch an mittleren Körperteilen, denen sowohl der Kopf als auch der Fuß entfernt wurde, auf diesem Weg Köpfe an beiden Enden induziert werden können“, ergänzt Dr. Suat Özbek, der Mitglied in Holsteins Forschungsgruppe „Molekulare Evolution und Genomik“ am COS ist.

Musterbildung mathematisch modelliert

Von einem Bestandteil des Wnt-Signalwegs ist bereits bekannt, dass es die Positionsinformation für die Neubildung von Kopfstrukturen kodiert. Das Forschungsteam von Holstein und Özbek hat in Zusammenarbeit mit Mathematikern um Prof. Dr. Anna Marciniak-Czochra ein Modell entwickelt, das zeigt, wie eine grundlegende Positionsinformation im Gewebe die anfangs undifferenzierte Verletzungsantwort über den Wnt-Signalweg in einen differentiellen Musterbildungsprozess umwandelt. „Da MAPKs und Wnts in hohem Maße evolutionär konserviert sind, ist dieser Mechanismus wahrscheinlich tief in unserem Genom verankert, was für die regenerativen Prozesse auch bei Vertebraten [Wirbeltieren, Anm. d. red.] und Säugern wichtig ist“, betont Holstein.

Originalpublikation: A. Tursch, N. Bartsch, M. Mercker, J. Schlüter, M. Lommel, A. Marciniak-Czochra, S. Özbek, T.W. Holstein: Injury-induced MAPK activation triggers body axis formation in Hydra by default Wnt signaling. PNAS, 119 (35) e2204122119 (22 August 2022)

(ID:48579589)