Das Koordinatensystem der Nerven

Die Entwicklung des Gehirns ist ein hochkomplexer Vorgang. Forscher am IST Austria zeigen, wie neuen Nervenzellen in einem Embryo ihre Funktion präzise zugeordnet wird.

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Das Bild zeigt normales Rückenmark mit einem präzisen Muster der Genaktivität.
Das Bild zeigt normales Rückenmark mit einem präzisen Muster der Genaktivität. – (c) IST Austria

Die Entwicklung eines Embryos von einer einzigen Zelle zu einem lebensfähigen Organismus ist ein hoch komplexer und von der Natur genau orchestrierter Vorgang. Die entstehenden Zellen müssen wissen, welche Funktion sie an welchem Ort erfüllen müssen, ob sie sich zum Beispiel zu Hautzellen, zu Blutzellen oder doch zu Gehirnzellen entwickeln sollen.

Dabei muss alles genau zur richtigen Zeit und am richtigen Ort passieren, um sicherzustellen, dass aus einer Zelle ein Mensch mit mehr als einer Billion Zellen entsteht, die alle an ihrem Platz sind. Geht bei dieser Ausdifferenzierung etwas schief, kann es zu schweren Entwicklungsschäden und sogar zum frühzeitigen Tod des entstehenden Lebens kommen. Die Natur hat sich eine Vielzahl von Mechanismen ausgedacht, um die Entwicklung von Organismen möglichst robust ablaufen zu lassen, viele davon sind bis heute nicht genau erforscht.

 

Neuralrohr und Wirbelsäule

Ein internationales Team von Biologen und Physikern am Institute of Science and Technology (IST) Austria in Klosterneuburg hat diese Mechanismen nun im Nervensystem der Maus untersucht. Sie haben herausgefunden, wie die Entstehung der verschiedenen Nerventypen in der Wirbelsäule in einem frühen Stadium der Entwicklung präzise gesteuert wird.

Schon in den ersten Tagen nach der Verschmelzung von Spermium und Eizelle entwickelt sich das sogenannte Neuralrohr – ein geschlossener Kanal von Zellen, der sich entlang der ganzen Länge des Embryos erstreckt und aus dem sich das Gehirn und das periphere Nervensystem entwickeln.

Die Forscher wussten, dass sich in allen Wirbeltieren – und auch im Menschen – ein gegenläufiger Gradient von zwei Botenstoffen quer durch diesen noch primitiven Kanal zieht. Er sorgt dafür, dass auf der einen Seite des Rohres sensorische Neuronen entstehen, auf der gegenüberliegenden Seite Motoneuronen, die Muskeln lenken, und in der Mitte das vegetative Nervensystem, das später unsere inneren Organe steuert.

Doch warum braucht man gerade zwei Botenstoffe? Um das herauszufinden, maßen die Forscher, wie stark die beiden Signalmoleküle (Sonic Hedgehog und Bone Morphogenic Protein) ihre Ziel-Gene in den Zellen quer durch das Neuralrohr aktivierten.

 

Ein Signal allein reicht nicht

Eine Computeranalyse konnte dann zeigen, dass eines dieser Signalmoleküle allein den Zellen keine genaue Identität zuweisen kann – die Kombination von zweien allerdings eine praktisch perfekte Identifizierung ermöglichte.

„Die Information von zwei äußeren Signalmolekülen bildet für die wachsenden Nervenzellen ein genaues Koordinatensystem, das sie ihrer zukünftigen Rolle zuweist“, erklärt Marcin Zagorski, verantwortlich für die Datenanalyse der Studie. „Es ist wirklich faszinierend, wenn wir durch quantitative Analysen ein biologisches Prinzip so eindeutig sichtbar machen können“, sagt Zagorski.

Die Forscher gingen noch einen Schritt weiter und entwickelten ein Computermodell der Gradienten. Sie konnten belegen, dass eine Verringerung der Konzentration eines Faktors zu anderen Zellidentitäten führt und sich zum Beispiel die mittleren Zellen nicht mehr ausbilden können oder ihre Position verschiebt.

„Unser Computermodell hat hier sehr genaue Vorhersagen gemacht, die wir an Zellen im Labor dann genau so gesehen haben – das war wirklich erstaunlich“, so Zagorski. Das Modell der Forscher beschreibt die Interaktion der zwei äußeren Signalfaktoren und der entstehenden Zelltypen untereinander. Diese ergeben ein stabiles System, das die Identität der einzelnen Nervenzelltypen eindeutig festlegen kann – und das nicht nur bei der Entwicklung des Nervensystems.

 

Zellen in der Petrischale

Denn tatsächlich zeigt sich, dass stabil funktionierende Mechanismen sich im Laufe der Evolution immer wieder ähnlich entwickelt haben. „Es ist wahrscheinlich, dass ähnliche Strategien auch in anderen sich entwickelnden Geweben zum Einsatz kommen und dass unsere Ergebnisse auch dort von Relevanz sein können“, erklärt James Briscoe, einer der Leiter der Studie. Auf lange Sicht könnte das sogar helfen, Gewebe aus Stammzellen gezielt herzustellen.

Denn wie die Studie zeigt: Gibt man ihnen genug Information, wissen Zellen auch in der Petrischale, was sie werden sollen.

IN ZAHLEN

10 Billionen Zellen umfasst der Körper eines ausgewachsenen Menschen. Schon drei Wochen nach der Befruchtung haben sich aus einer

einzelnen Eizelle 100.000 Zellen gebildet.

100 Milliarden Neuronen bilden im Schnitt ein menschliches Gehirn. Eine Mäusehirn hat „nur“ 70 Millionen Neuronen. Das gesamte Organ entwickelt sich jeweils schon vor der Geburt: Im erwachsenen Gehirn können kaum neue Neuronen gebildet werden.

("Die Presse", Print-Ausgabe, 15.07.2017)

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