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Stammbaum der Stammzellen enträtselt

Forscher enträtseln kompletten Stammbaum einzelner retinaler Stammzellen Untersuchungen am Modellorganismus des Medaka-Fisches mit dauerhafter genetischer Zellmarkierung.
Fisch-Retina
(Bild: Lazaro Centanin, COS Heidelberg)
Fisch-Retina
(Bild: Lazaro Centanin, COS Heidelberg)

Stammzellen sind in der Lage, aus nur einer Zelle Nachkommen mit jeweils unterschiedlichen Spezialisierungen zu generieren. Das belegen Untersuchungen Heidelberger und Karlsruher Biologen am Modellorganismus des Medaka-Fisches. Zum Einsatz kam eine dauerhafte genetische Zellmarkierung in der adulten Fischnetzhaut. Dabei konnten die Wissenschaftler um Prof. Dr. Joachim Wittbrodt und Dr. Lazaro Centanin vom Centre for Organismal Studies der Universität Heidelberg und dem Institut für Toxikologie und Genetik des KIT zeigen, dass alle retinalen Stammzellen Universalisten und Ursprung sämtlicher in der Retina vorkommenden Zelltypen sind. Die Forschungsergebnisse wurden am 2. Dezember 2011 in der Fachzeitschrift „Cell Stem Cell“ veröffentlicht.

Stammzellen helfen dem Körper, zu wachsen oder defekte Bereiche zu regenerieren. Diese universelle Antwort auf unterschiedliche Probleme im erwachsenen Organismus, selbst im Gehirn, wird derzeit weltweit intensiv erforscht. Eine Schlüsselfrage blieb dabei bislang offen: Handelt es sich bei der „Einsatztruppe“ der Stammzellen um eine Gruppe von Spezialisten oder um individuelle Universalisten? In anderen Worten: Wird für jeden zu reparierenden Zelltyp ein spezieller Typ von Stammzellen benötigt oder kann eine einzige Stammzelle Nachkommen generieren, die in ihrer jeweiligen Umgebung alle Probleme beseitigen?

Um diese Frage beantworten zu können, haben die Heidelberger Wissenschaftler eine permanente genetische Zellmarkierung mit Einzelzelltransplantationen am Modellorganismus des Medaka-Fisches kombiniert. So konnte die Arbeitsgruppe unter der Leitung von Joachim Wittbrodt einzelne Stammzellen in der Netzhaut, der Retina, und damit auch alle ihre Nachkommen in einem kompletten Stammbaum markieren. Auf diese Weise war es möglich, das Verhalten von Stammzellen in ihrer „natürlichen“ Umgebung zu studieren, der adulten Fisch-Retina. Die Untersuchungsergebnisse belegen, dass die retinalen Stammzellen multipotent sind und aus ihnen sämtliche in der Retina vorkommenden Zelltypen hervorgehen.

Dies zeigt sich experimentell in der Ausbildung von sogenannten arched continuos stripes (ArCoS). Dabei handelt es sich um Streifen, die die Retina durchziehen, alle Zelltypen umfassen und jeweils von einer Stammzelle ausgehen. „Interessanterweise sind damit verschiedene Zelltypen innerhalb eines ArCoS näher miteinander verwandt als benachbarte Zellen eines Zelltyps”, sagt Lazaro Centanin, der als Postdoktorand der Arbeitsgruppe von Prof. Wittbrodt angehört. Die Forschungsergebnisse legen dabei nahe, dass das Wachstum durch die Kontrolle der Stammzellvermehrung reguliert wird, während die Differenzierung in verschiedene Zelltypen als intrinsisches Programm abläuft. „Das ist so, als ob ein Haus von einem universellen Handwerker aufgebaut wird, der mauert, verputzt, installiert und auch das Dach deckt, und zwar alles gleichzeitig, weil der Handwerker in der Lage ist, sich zu teilen“, sagt Joachim Wittbrodt.

Die Wissenschaftler am COS Heidelberg und dem KIT konnten darüber hinaus aufzeigen, dass im selben Organ – der Retina des Fisches – neben den multipotenten retinalen Stammzellen eine zweite Klasse von Stammzellen existiert. Dies sind die Stammzellen der Pigmentschicht. Nach Angaben von Prof. Wittbrodt korreliert das Wachstumsverhalten dieser Zellen mit dem der retinalen Stammzellen, jedoch bringen diese Pigmentzellstammzellen nur einen Zelltyp hervor.

Neben der Bedeutung für die Grundlagenforschung zum Wachstum und der Regeneration des Auges hat insbesondere die angewandte Methodik der Heidelberger Forschungsarbeiten großes Potential für weitere Studien. Die genetische Markierung im Auge des Medaka-Fisches, das lebenslang in räumlich-zeitlich eng koordinierter Folge wächst, soll Einblicke in das Verhalten und die entscheidenden Entwicklungsprozesse von einzelnen Stammzellen und ihrer Nachkommen im intakten Organ ermöglichen. Darauf aufbauend wird die Gruppe um Prof. Wittbrodt nun die regulatorischen Mechanismen in lebenden Zellen weiter untersuchen. Informationen im Internet.


Untere Abbildung: Durch Einzelzelltransplantation aus vier verschiedenen genetisch markierten Fischlinien (rechts oben) wurde eine Retina mit mehreren, verschieden markierten "arched continuous stripes" erzeugt. Die konzentrischen Schichten in jedem einzelnen "arched continuous stripe" stellen alle verschiedenen Zelltypen der Retina dar. Zur Orientierung: Das Fischauge wird von der Seite betrachtet und die weiße runde Struktur in der Mitte ist die Linse.


Originalpublikation: Lazaro Centanin, Burkhard Hoeckendorf and Joachim Wittbrodt, Fate Restriction and Multipotency in Retinal Stem Cells, Cell Stem Cell (2011), doi:10.1016/j.stem.2011.11.004


kes, 02.12.2011