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Die embryonale Entwicklung vollständig verstehen

Die Fähigkeit, Zellen umzuprogrammieren, birgt große Chancen für die regenerative Medizin. Am Anfang jedes menschlichen Lebens teilen sich embryonale Zellen und produzieren alle Zelltypen des Körpers. Was können wir von Embryos lernen, damit es möglich wird Zellen 'à la carte' zu erzeugen, mit deren Hilfe wir Verletzungen und degenerative Krankheiten wie Alzheimer behandeln können?

Die Fähigkeit, Zellen umzuprogrammieren, birgt große Chancen für die regenerative Medizin. Am Anfang jedes menschlichen Lebens teilen sich embryonale Zellen und produzieren alle Zelltypen des Körpers. Was können wir von Embryos lernen, damit es möglich wird Zellen 'à la carte' zu erzeugen, mit deren Hilfe wir Verletzungen und degenerative Krankheiten wie Alzheimer behandeln können?

Die Entstehung des menschlichen Körpers

Wenn eine Samenzelle eine Eizelle befruchtet, entsteht neues menschliches Leben. Das Ergebnis ist der einzellige Embryo, auch „die Zygote“ genannt. Dieser Zelltyp hat eine besondere Fähigkeit: Er kann einen kompletten Organismus bilden, einen Menschen von Kopf bis Fuß mit all seinen verschiedenen Zellarten, wie zum Beispiel Blut-, Herz-, Gehirn- und Hautzellen.

Diese erstaunliche Fähigkeit wird Totipotenz genannt. Nur die allerersten Zellstadien eines Embryos sind dazu in der Lage, denn Totipotenz geht bereits drei Tage nach der Befruchtung verloren. Im Laufe der folgenden Zellteilungen erzeugt der einzellige Embryo einen anderen Zelltyp: die embryonalen Stammzellen. Dieser ist zwar auch noch für die regenerative Medizin von Interesse, allerdings sind diese Zellen nicht mehr in der Lage allein einen vollständigen Körper zu bilden. Sie haben aber trotzdem ein außergewöhnliches Potenzial – sie können immer noch jeden Zelltyp des menschlichen Körpers bilden. Wenn wir Stammzellen studieren, können wir von ihnen lernen, wie sie die verschiedenen Gewebetypen in unserem Körper erzeugen. Außerdem können wir ihre Methoden kopieren, um Zellen „à la carte“ für Regenerationstherapien herzustellen.

So sehen sich teilende frühe Mausembryonen unter dem Mikroskop aus:

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Die Umprogrammierung von Zellen ist eine hervorragende Möglichkeit, „neue“ Zellen jeglicher Art zu schaffen. In den letzten zwei Jahrzehnten haben Forschende vor allem mit embryonalen Stammzellen und mit sogenannten induzierten pluripotenten Stammzellen (iPS-Zellen) gearbeitet. Letztere können aus jeder unserer ausgereiften Zellen erzeugt werden, so dass die ethischen Bedenken, die sich bei der Verwendung menschlicher Embryonen ergeben, entfallen. Ausgangspunkt ist z. B. eine Hautzelle, die dann in eine Stammzelle umprogrammiert wird. Das war eine bahnbrechende Methode, denn sie ermöglichte es, aus beliebigen patienteneigenen Zellen Stammzellen herzustellen. Allerdings hat das Verfahren den Nachteil, dass die Erfolgsquote und die Anzahl der erzeugten Stammzellen gering ist.

Die Umprogrammierung von Zellen zu Beginn des Lebens ist im Gegensatz dazu äußerst effizient. Wenn es gelingen sollte, die Fähigkeit des Embryos zur Umprogrammierung nachzuahmen, birgt dies bahnbrechende Möglichkeiten für Zellersatztherapien und Methoden der regenerativen Medizin. Aber wie erlangt der Embryo die Fähigkeit, alle Arten von Geweben zu produzieren?

Die frühe Entwicklung von Säugetieren

Die epigenetische Landschaft – ein einzigartiger Bauplan

Alle Zellen in unserem Körper tragen dieselbe genetische Information: die DNA unseres Vaters und die unserer Mutter. Unsere DNA enthält die Codes von etwa 25.000 Genen. Jedes Gen dient als Blaupause für ein Protein, das während eines Prozesses, der als Genexpression bekannt ist, produziert werden kann. Theoretisch könnte in jeder Zelle jedes Gen abgelesen werden, um alle möglichen Proteine zu erzeugen. Es geht hier jedoch nicht um Massenproduktion, sondern um einen maßgeschneiderten Prozess: Jede Zelle erzeugt nur die Proteine, die sie für ihre Funktion benötigt. Unsere roten Blutkörperchen produzieren zum Beispiel Hämoglobin, unsere Gehirnzellen jedoch nicht.

Die Verpackung der DNA, das sogenannte Chromatin, steuert diesen Prozess. Während einige Gene der DNA offeneres Chromatin (Euchromatin) haben, also für die Genregulation zur Verfügung stehen, sind andere Gene in sehr dichtes Chromatin (Heterochromatin) verpackt. Diese dicht verpackten Gene können nicht exprimiert werden, d. h. ihre Informationen werden nicht „abgelesen“ und es werden keine Proteine aus ihnen gebildet.

Epigenetik ist der Prozess, der die Verpackung der DNA und damit den „lesbaren“ und „nicht lesbaren“ Zustand eines Gens kontrolliert. Darüber hinaus kann sie das Chromatin bestimmter Gene verändern, um sicherzustellen, dass nur die für den jeweiligen Zelltyp erforderlichen Gene für die Expression zur Verfügung stehen und so die Entstehung bestimmter Zelltypen in unserem Körper ermöglichen.

„Da der DNA-Gehalt in all unseren Zellen gleich ist, muss die Umprogrammierung epigenetischer Natur sein: Das bedeutet, dass sich zwar die Identität der Zelle ändert, aber ihre DNA (das Erbgut) bleibt unverändert. Die verschiedenen Zelltypen unterscheiden sich nur in den Genen, die sie produzieren, was weitgehend vom Zustand des Chromatins abhängt“, erklärt Maria-Elena Torres-Padilla.

Was wir vom Embryo lernen können

In den letzten Jahren erlangten die Forscher um Maria-Elena Torres-Padilla entscheidende Erkenntnisse: Das Chromatin in totipotenten Zellen des frühen Embryos unterscheidet sich erheblich vom Chromatin der ausdifferenzierten somatischen Zellen (also der „fertigen“ zugeordneten Zellen) und sogar von dem der pluripotenten Stammzellen. Die Grundlage der Totipotenz ist daher höchstwahrscheinlich in der epigenetischen Landschaft des frühen Embryos zu finden. Das bedeutet, dass der Embryo ein fantastisches Modell ist, um die Chromatinmerkmale zu finden, die Totipotenz ermöglichen.

Die heutige Forschung ist der Grundstein für die Technologie von morgen

Die Forschungsarbeiten der Arbeitsgruppe von Maria-Elena Torres-Padilla ebnen den Weg für eine effizientere und schnellere Generierung von umprogrammierten Zellen – die Grundlage für Stammzelltherapien. Nicht alle Prozesse, die die embryonale Umprogrammierung steuern, sind bekannt, doch Maria-Elena Torres-Padilla blickt optimistisch in die Zukunft:

„Wir haben noch viel zu lernen, aber ich bin zuversichtlich, dass wir zumindest einige der natürlichen Faktoren, die die Umprogrammierung von Zellen erlaubt, identifizieren werden. Dann könnten wir auch Möglichkeiten finden, diese zur Umprogrammierung von Zellen in einer Petrischale zu nutzen. Unsere Forschung hat bereits den Beweis erbracht, dass das machbar ist. So könnten wir die Zell-Umprogrammierung verbessern, um sie effizienter und leichter zugänglich zu machen, ohne dass wir das Erbgut manipulieren müssen“.

Die Wissenschaftler:innen

[Translate to German:]

Prof. Dr. Maria-Elena Torres-Padilla

Direktorin des Instituts für Epigenetik und Stammzellen Profil anzeigen

Dr. Jonathan Adam Burton

Deputy Head of Institute for Epigenetics and Stem Cells

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