Stammzellen in der Findungsphase

Eine Barriere fixiert die Identität von Zellen schon nach kurzer Zeit

23. Oktober 2019

Warum lassen sich Körperzellen wieder zu Stammzellen umprogrammieren? Forscher und Forscherinnen des Max-Planck-Instituts für molekulare Genetik in Berlin haben nun die Übergangsphase zwischen Stamm- und spezialisierter Körperzelle untersucht. Dabei haben sie eine molekulare Barriere identifiziert, die die Effizienz der Reprogrammierung bestimmt.

In der Übergangsphase kehren die meisten der sich differenzierenden Zellen in ihren Stammzellstatus zurück, sobald sie die Gene für das Stammzellprogramm reaktivieren. Unter dem Mikroskop erscheinen die Zellkolonien mit Stammzellen grün, während alle anderen Zellen rot bleiben.

Aus der befruchteten Eizelle entsteht der Embryo mit unspezialisierten pluripotenten Stammzellen, aus denen ein vollständiges Lebewesen heranwächst. „In der Natur verläuft dies immer in eine Richtung, wie in einer Einbahnstraße“, erklärt Alexander Meissner, Direktor am Max-Planck-Institut für molekulare Genetik und Leiter der Abteilung Genomregulation. "Tatsächlich ist schon seit über 50 Jahren bekannt, dass der Weg vom Alleskönner zur hochspezialisierten Leber-, Muskel- oder Hautzelle im Labor auch umgekehrt werden kann, 2006 wurde es nur plötzlich sehr viel einfacher", sagt Meissner. Damals verwandelte der japanische Wissenschaftler Shin‘ya Yamanaka erstmals mit ein paar molekularbiologischen Kniffen erwachsene Hautzellen direkt in induzierte pluripotente Stammzellen (iPS-Zellen).

Ähnlich wie im Embryo können sich iPS-Zellen im Labor zu einem anderen, praktisch beliebigen Zelltyp spezialisieren. „Nur ein paar Tage benötigen die iPS-Zellen, um sich auf einen Zelltyp festzulegen“, sagt Meissner. „Wir wollten herausfinden, wann die Zelle diese Entscheidung endgültig trifft und nicht mehr zurück kann.“ Der Wissenschaftler und sein Team zeigen in ihrer neuen Publikation, wann sich die Zellen nur noch schwer von ihrer Entscheidung abbringen lassen und was dabei im Zellinneren passiert.  

Reprogrammierung ist eine Blackbox

„Die Mechanismen, die der Reprogrammierung von Zellen zugrunde liegen, sind zum größten Teil immer noch eine Blackbox“, sagt Alexander Meissner. „Aus Sicht der Entwicklungsbiologie ist es unklar, warum alle Zellen des Körpers das Potenzial zur Reprogrammierung überhaupt behalten.“ Denn ist die normale Entwicklung oder „Differenzierung“ der pluripotenten Stammzelle einmal abgeschlossen, sollte es kein Zurück mehr geben. Aus einer Leberzelle entstehen nur noch weitere Leberzellen, eine Muskelzelle bildet nur Muskelzellen und eine Hautzelle nur Hautzellen.

Noch in Harvard begannen Camille Sindhu und Zack Smith aus Meissners Team zusammen mit Evgeny Yurkovsky aus der Arbeitsgruppe um Iftach Nachman an der Universität Tel Aviv die Arbeit im Labor. Aus Bindegewebszellen einer Maus erzeugten sie zunächst iPS-Zellen, indem sie vier Gene gezielt aktivierten: Oct4, Sox2, Klf4 und c-Myc, zusammengefasst als „OSKM“. Diese enthalten die Baupläne für vier Transkriptionsfaktoren – Proteine, die in Stammzellen das Stammzellprogramm steuern. Sie stoßen eine Kaskade von molekularen Prozessen an, die spezialisierte Zellen in eine Art „Identitätskrise“ stürzen.

Nach etwa zwei Wochen verwandeln die OSKM-Faktoren eine von hundert Körperzellen in eine Stammzelle. Damit sie diesen Zustand beibehält, benötigt sie in ihrer Nährlösung hormonähnliche Signalstoffe. Die so entstehenden Stammzellen teilen sich, entwickeln sich aber nicht weiter, solange die „Stammzellsignale“ im Nährmedium vorhanden sind.

Später stießen in Hardvard der Bioinformatiker Sudhir Thakurela und in Berlin die experimentell arbeitende Biologin Christina Riemenschneider zu dem Team. Sie entzogen dem Nährmedium die Signale für den Stammzellzustand und beobachteten die Zellen dabei, wie sie sich langsam wieder in differenzierte Zellen zurück verwandelten. Dabei prüften sie immer wieder, ob und wie gut die Zellen zurück in den Stammzellzustand wechseln konnten, sobald sie die Signale alleine oder in Kombination mit den vier OSKM-Faktoren erhielten.

Schwebezustand zwischen Stamm- und Körperzelle

Meissners Team sprang also während des Experiments zwischen den Zuständen der Stammzellen und spezialisierten Körperzellen hin und her. Es fokussierte sich damit auf den Zeitraum im Leben der Zelle, in dem sie einen bestimmten „Lebensweg“ in Betracht zieht, ihn aber noch nicht eingeschlagen hat. Diese Findungsphase ist etwa 48 Stunden lang, fanden die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler heraus. Innerhalb dieser Phase glitten die sich differenzierenden Zellen schnell und effizient in ihren Stammzellstatus zurück, sofern die OSKM-Faktoren erneut für zwölf bis 24 Stunden aktivierten wurden. Bis zu 80 Prozent der Zellen wurden dann wieder reine Stammzellen.

Die Erfolgsrate fiel jedoch auf weniger als ein Prozent, wenn die Zellen mehr als zwei Tage Zeit für ihre Entwicklung bekamen. Dann waren sie bereits so stark spezialisiert, dass sie sich nur mit dem üblichen zweiwöchigen Aufwand reprogrammieren ließen. Ob die Zellen seit ein paar Tagen differenziert waren oder ausgereifte Körperzellen waren, spielte dann keine Rolle mehr.

Ein identitätsstiftender Kipppunkt

Sobald die Zellen also dieses Zeitfenster verließen, ließ sich das Stammzellprogramm nicht mehr effizient reaktivieren. Für diesen Kipppunkt interessierte sich das Forschungsteam besonders und wollte herausfinden: Was passiert in der Zeit vorher und nachher, und was genau geschieht während dieser Übergangsphase? Dafür beobachteten sie während dieser kritischen Phase das Verhalten des Faktors Oct4. Das Mitglied der OSKM-Gruppe ist für die Reprogrammierung unentbehrlich. Als mächtiger Transkriptionsfaktor kontrolliert Oct4 eine Vielzahl genetischer Steuerprogramme, indem es gezielt an verschiedenen Stellen mit dem Erbgutstrang interagiert und so viele tausend Gene aktiviert.

In jenen Zellen, die noch effizient in den Stammzellzustand zurückkehren konnten, griff Oct4 auf eine Teilmenge von DNA-Regionen zu, an die es in der Regel nur in den Stammzellen bindet. Insgesamt handelt es sich um etwa 3.000 Regionen im Erbgut. Diese Bereiche – oder zumindest einige davon – könnten die Weichen für die Reaktivierung des gesamten Stammzellprogramms stellen, schlussfolgerten die Forscherinnen und Forscher.

Einige dieser DNA-Regionen behielten auch in den vollständig differenzierten Körperzellen eine Art „epigenetisches Gedächtnis“ an ihren vormals pluripotenten Zustand. Normalerweise inaktiviert die Zelle die nicht mehr benötigten Entwicklungsgene nach der Differenzierung und verriegelt sie damit. „Hier bleibt aber eine kleine Teilmenge an Genen empfänglich für Oct4, und zwar in sämtlichen Körperzellen“, sagt Meissner. Weshalb die Zelle nicht auch diese Abschnitte epigenetisch sperrt, kann Meissner nur vermuten: „Es könnte mit der Entwicklung der Geschlechtszellen zu tun haben, die sich erst später im Laufe der Säugetierentwicklung herausbilden.“

Die Geschlechtszellen, also Eizellen und Spermien, vereinigen sich bei der Befruchtung zur ersten Zelle eines neuen Lebewesens. Sie haben einige regulatorische Eigenschaften, die Stammzellen ähneln – immerhin soll aus ihnen ein kompletter neuer Organismus entstehen. „Möglicherweise darf das Stammzellprogramm nicht komplett epigenetisch verriegelt werden, weil der Organismus noch nicht entschieden hat, welche Zellen in die Keimbahn fließen“, sagt der Wissenschaftler.

„Vielleicht ermöglicht uns das Keimbahn-Programm überhaupt die Reprogrammierung zu Stammzellen – quasi als Nebeneffekt“, spekuliert Meissner. Dies müsste allerdings erst in weiteren Studien bewiesen werden. Denn obwohl die Publikation etwas Licht in die „Blackbox“ der Reprogrammierung bringt, bleibt das Wechselspiel der Gene immer noch undurchsichtig, während die Zelle ihre wichtigen Karriereentscheidungen trifft.

blk

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