Susanne Kühl Michael Kühl Stammzellbiologie

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1 Susanne Kühl Michael Kühl Stammzellbiologie Ulmer

2 20 Grundlagen Apoptose: der programmierte Zelltod Der Notch-Signalweg Von besonderer Bedeutung ist darüber hinaus der Notch/Delta-Signalweg (Abb. 1.6 B). Dabei bildet Notch den Rezeptor auf der empfangenden Zelle. Liganden für den Notch-Rezeptor werden durch Mitglieder der Delta-Familie repräsentiert. Im Gegensatz zu den vorher genannten Wachstumsfaktoren, die alle sezerniert werden und damit im Extrazellulärraum frei diffundieren können, wird Delta als ein Transmembranprotein auf einer benachbarten Zelle präsentiert. Somit kommt es nur durch einen direkten Zell/Zell-Kontakt zur Übertragung eines Signals auf die notch-exprimierende Nachbarzelle. Durch Bindung des Delta-Liganden an den Notch-Rezeptor kommt es zu einer Aktivierung des letzteren, wobei die intrazelluläre Domäne abgespalten wird. Diese intrazelluläre Domäne von Notch (Notch-ICD, engl. intracellular domain) wandert in den Zellkern und interagiert dort mit Transkriptionsfaktoren. So wird sichergestellt, dass nach Aktivierung des Notch-Signalwegs Zielgene reguliert werden können. In letzter Zeit haben sich auch Daten ergeben, die auf die Existenz eines weiteren, hiervon abweichenden Notch-Signalwegs hinweisen. Neben diesen Schlüsselsignalwegen der embryonalen Entwicklung, die auf die Genexpression und damit auf die zelluläre Differenzierung Einfluss nehmen, gibt es noch eine Reihe weiterer Signaltransduktionswege, die, wenn nötig, in den nachfolgenden Kapiteln direkt angesprochen werden. An dieser Stelle sollte man sich jedoch vor Augen halten, dass diese Signalwege neben der Differenzierung von Zellen auch viele andere zelluläre Prozesse beeinflussen können. Dazu gehören die Zellproliferation, das Zellüberleben, die Apoptose oder auch morphogenetische Bewegungen wie Zellwanderungsprozesse. Zusammenfassung Durch ein besseres Verständnis der Prozesse in der Stammzellbiologie erhoffen sich Wissenschaftler, Ärzte und Patienten die Entwicklung neuer Therapieansätze. In den letzen Jahren hat sich mehr und mehr herausgestellt, dass regenerative Prozesse denen der Entwicklungsbiologie sehr ähnlich sind. Dabei spielen Vorgänge wie die Differenzierung von Zellen eine entscheidende Rolle. Weiterhin hat sich gezeigt, dass Wachstumsfaktoren wie Wnts, FGFs, BMPs und Notch nicht nur während der embryonalen Entwicklung essenziell sind, sondern auch in der Stammzellbiologie wichtige Aufgaben übernehmen.

3 21 1 Was versteht man unter der Differenzierung einer Zelle? 2 Was bedeuten die Begriffe Dedifferenzierung und Transdifferenzierung? 3 Was sind Transkriptionsfaktoren? Was ist deren Aufgabe? 4 Wie kann die Aktivität von Genen im Embryo nachgewiesen werden? Beschreiben sie drei unterschiedliche Methoden. 5 Beschreiben sie die Signaltransduktionswege des kanonischen Wnt-, des FGF-, des BMP- und des Notch/Delta-Signalwegs. Fragen Als Referenzen zur weitergehenden Lektüre seien für dieses einführende Kapitel grundlegende Lehrbücher der Entwicklungsbiologie, Molekularbiologie und Zellbiologie genannt, die über den hier behandelten Stoff weit hinausgehen: Alberts, B., A. Johnson, J. Lewis, M. Raff, K. Robert, P. Walter (2008): Molecular Biology of the Cell. 5. Auflage, Garland Science, Abingdon UK. Davidson, E.H. (2008): The Regulatory Genome: Gene Regulatory Networks in Development and Evolution. Academic Press, Elsevier, Amsterdam, Niederlande. Gerhart, J., M. Kirschner (1997) Cells, Embryos, and Evolution. Blackwell Science, Massachusetts, USA. Gilbert, S.F. (1994): The Conceptual History of Modern Embryology. Johns Hopkins University Press, Baltimore, USA. Gilbert, S.F. (2010): Developmental Biology. 9. Auflage, Sinauer Associates Massachusetts, USA. Janning W., Knust E. (2008): Genetik. 2. Auflage, Thieme Verlag, Stuttgart. Kühl, M., S. Gessert (2010): Entwicklungsbiologie. UTB Basics, Ulmer Verlag, Stuttgart. Wilkins, A.S. (2002): The Evolution of Developmental Pathways. Sinauer Associates Massachusetts, USA. Wolpert, L. (2006): Principles of Development. 2. Auflage, Oxford University Press, Oxford. Referenzen

4 22 2 Regeneration im Tierreich Inhalt Verschiedene Organismen weisen unterschiedliche Fähigkeiten zur Regeneration nach Verletzungen auf. Bei diesem Vorgang der reparativen Regeneration beobachtet man unterschiedliche zelluläre Mechanismen: einerseits ein Ersatz von Gewebe ausgehend von bereits spezialisierten, terminal differenzierten Zellen, andererseits die Neubildung ausgehend von undifferenzierten Stammzellen. Letztere spielen auch bei der zyklischen Regeneration von Geweben, dem Turnover, eine besondere Rolle. zweikeimblättrige (diploblastische) Organismen: Organismen mit zwei Keimblättern (Ektoderm und Endoderm) dreikeimblättrige (triploblastische) Organismen: Organismen mit den drei Keimblättern Ektoderm, Mesoderm, Endoderm Unter dem Begriff Regeneration versteht man im biologischen Kontext wörtlich übersetzt die Wiedererzeugung von Geweben. Die erste Beschreibung zur Regeneration des Schwanzes bei Eidechsen datiert bis ins Jahr 1686 zurück, als Melchisédech Thévenot vor der Pariser Akademie der Wissenschaften von diesen Fähigkeiten berichtete. Erste Arbeiten zur Regenerationsfähigkeit von Invertebraten reichen gut 250 Jahre zurück. Dabei wurden im Wesentlichen die zweikeimblättrige Hydra und dreikeimblättrige Planarien untersucht. Mittlerweile wurden die Arbeiten zur Regeneration auch auf Amphibien, Fische und Mäuse ausgeweitet. Grundsätzlich lassen sich zwei verschiedene Formen der Regeneration unterscheiden: Einerseits die reparative Regeneration, andererseits die physiologische oder zyklische Regeneration. Die reparative Regeneration ist der Ersatz von verloren gegangenem Gewebe eines Körpers, beispielsweise in Folge einer Verletzung. Wesentliches Ziel dieses regenerativen Vorganges ist die Wiederherstellung eines Gewebes inklusive Struktur, Form und Funktionalität. Hier seien die auch beim Menschen bekannte Wundheilung oder die Neubildung von Blutzellen nach Blutverlust genannt. Im Tierreich hingegen gibt es sehr viel weiter reichende Fähigkeiten zur reparativen Regeneration. Bereits erwähnt ist die Fähigkeit einer Eidechse, einen verloren gegangenen Schwanz nachwachsen zu lassen. Auch sind Molche in der Lage, ganze Extremitäten nach einer Amputation zu regenerieren; ganz offensichtlich eine Fähigkeit, die den

5 höher entwickelten Organismen wie dem Menschen nicht zu eigen ist. Interessanterweise korreliert die Fähigkeit zur reparativen Regeneration nicht eindeutig mit dem phylogenetischen Entwicklungsstand. Die Regeneration ist jedoch nicht nur auf den Gewebeersatz nach einer Verletzung beschränkt. Auch in einem gesunden Körper ist eine kontinuierliche Regeneration von Geweben, bei der ständig Zellen eines Organs ersetzt werden, zu beobachten, im Englischen auch als Turnover bezeichnet. Dieser Vorgang wird, wie oben erwähnt, als physiologische oder zyklische Regeneration bezeichnet. Klassische Beispiele hierfür sind das Darmepithel, welches bei der Maus innerhalb von fünf Tagen ersetzt werden kann (Kapitel 6.4), die sich ständig erneuernde Haut (Kapitel 6.3), die Haare (Kapitel 6.3) oder die Zellen des hämatopoetischen Systems (Kapitel 5). Bei genauer Betrachtung findet man ähnliche Mechanismen in allen regenerativen Vorgängen wieder, die man als Morphallaxis und Epimorphose bezeichnet. Beide Begriffe, Morphallaxis und Epimorphose wurden bereits 1901 von Morgan geprägt, ohne dass dieser die zugrunde liegenden, zellbiologischen Mechanismen kannte oder hätte beschreiben können. Ursprünglich beschrieb der Begriff Morphallaxis eine Restrukturierung oder Neumusterung des verbliebenen Gewebes ohne nennenswerte Zellproliferation. Ein klassisches Beispiel hierfür sind die verschiedenen Regenerationsvorgänge in Hydra (Kapitel 2.1). Die Epimorphose hingegen beschreibt in seiner ursprünglichen Definition den Vorgang, bei welchem verlorenes Gewebe ersetzt wird und das neue Gewebe wieder die korrekten Strukturen einnimmt. Dieser Prozess benötigt Zellproliferation. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem Zellen dedifferenzieren, die bereits terminal differenziert waren (siehe auch Abb. 1.1). Die Zellen treten nach dieser Dedifferenzierung in den Zellzyklus ein, bilden dadurch neues Gewebe, und differenzieren anschließend erneut. Auch im Gewebe vorhandene undifferenzierte Zellen (Stammzellen) können durch Proliferation und Differenzierung in diesen Prozess eingebunden sein. Zuweilen findet auch eine direkte Transdifferenzierung eines Zelltyps in einen anderen statt. Die stammzell-vermittelte Regeneration beruht auf der Präsenz adulter, gewebeständiger und verhältnismäßig undifferenzierter Stammzellen, die zur Proliferation und Differenzierung in verschiedene Zelltypen in der Lage sind (siehe Kapitel 3 bis 6). Bei der kompensatorischen Regeneration treten terminal differenzierte Zellen direkt in die Proliferation ein und generieren dadurch Zellen eines ähnlichen Differenzierungszustands. Dedifferenzierung oder adulte Stammzellen scheinen hier nicht involviert zu sein. Als Beispiel für die kompensatorische Regeneration sei die Regeneration der Säugetierleber genannt. Man sollte jedoch bereits an dieser Stelle erwähnen, dass die hier geschilderten Möglichkeiten 23

6 24 Regeneration im Tierreich zunächst einmal gedankliche Extremfälle darstellen und im Einzelfall verschiedene Mechanismen in unterschiedlicher Ausprägung zusammen auftreten können. Tabelle 2.1 gibt einen Überblick über die wesentlichen Mechanismen, die der Regeneration zugrunde liegen. Aus diesen Ausführungen ergeben sich auch die derzeit wichtigsten Fragestellungen der Forschung auf diesem Gebiet wie von Poss (2010) definiert: Welche molekularen Mechanismen definieren das regenerative Potenzial eines Organismus bzw. eines Gewebes? Welche Zellen tragen zur Regeneration in verschiedenen Organismen bzw. Geweben bei? Welche Moleküle sind bei der Initiation des Regenerationsvorgangs beteiligt? Welche Mechanismen regulieren die Prozesse Proliferation, Differenzierung und Musterbildung auf molekularer Ebene? Aus der Beantwortung dieser Fragen erhofft man sich auch Einblicke dahingehend, warum höhere Vertebraten, wie z.b. der Mensch, nur sehr beschränkte Regenerationsfähigkeiten besitzen und ob diese eventuell verborgenen Fähigkeiten in diesen Organismen zu reaktivieren sind. Tab. 2.1 Überblick über die Formen und Mechanismen der Regeneration. Formen Definition Beispiel reparative Regeneration Ersatz nach Verletzung Wundheilung Extremitätenregeneration physiologische / zyklische Regeneration (Turnover) kontinuierlicher, natürlicher Ersatz von Gewebe Mechanismen Definition Beispiel Morphallaxis Epimorphose kompensatorische Regeneration Dedifferenzierung Transdifferenzierung Regeneration ohne nennenswerte Proliferation Neuwachstum von verlorenem Gewebe durch Zellproliferation Proliferation terminal differenzierter Zellen Umwandlung von terminal differenzierten in undifferenzierte Zellen Umwandlung von einem Zelltyp in einen anderen Hämatopoese Regeneration Darmepithel / Haut Regeneration in Hydra Regeneration in Planarien Regeneration der Säugetierleber Extremitätenregeneration Blastembildung Linsenregeneration Differenzierung Differenzierung von Stammzellen Hämatopoese Regeneration Darmepithel / Haut