News | P-Körperchen bestimmen das Zellschicksal: Team der University of Colorado identifiziert einen wichtigen Mechanismus der Zelldifferenzierung
Stammzellen sind vielseitige Bausteine des Körpers, aber woher wissen sie, zu welcher Art von Zelle sie werden sollen? Nach fast drei Jahrzehnten Stammzellforschung haben Wissenschaftler einen wichtigen Hinweis auf das Zellschicksal in einer Zellstruktur namens P-Körperchen gefunden.
Eine neue gemeinsame Studie der University of Colorado Boulder und des Baylor College of Medicine zeigt, dass P-Körperchen eine zentrale Rolle bei der Regulierung der Zelldifferenzierung spielen. Durch die Manipulation dieser zellulären Speichereinheiten erzeugte das Team im Labor effizient Zelltypen, deren Gewinnung zuvor äußerst schwierig war. Dazu gehörten Vorläufer von Keimzellen, aus denen Spermien und Eizellen entstehen, sowie totipotente Zellen, die sich zu jedem Zelltyp des Körpers entwickeln können.
„Wie zelluläre Alchemie“: Die Wissenschaft der Steuerung des Zellschicksals
„Ich stelle es mir als eine Art zelluläre Alchemie vor“, sagte der Mitautor und leitende Forscher Justin Brumbaugh, Assistenzprofessor für molekulare, zelluläre und Entwicklungsbiologie an der CU Boulder. „Wenn wir die Schalter verstehen und kontrollieren können, die das Zellschicksal bestimmen, und einen Zelltyp in einen anderen umwandeln, eröffnen wir eine völlig neue Welt der Forschung und Anwendungsmöglichkeiten. Unsere Studie bildet die Grundlage dafür.“
Die Ergebnisse könnten nicht nur das Verständnis der Embryonalentwicklung und der Ursprünge von Krankheiten vertiefen, sondern auch neue Ansätze für die Behandlung von Unfruchtbarkeit, die Organregeneration und die Arzneimittelprüfung bieten. Der Mitautor und leitende Forscher Bruno Di Stefano, Assistenzprofessor am Center for Cell and Gene Therapy des Baylor College of Medicine, sagte: „Es ist von enormem Wert, die Funktionsweise der Biologie auf ihrer grundlegendsten Ebene zu verstehen.“
Den Speicherraum der Zelle erschließen
Die Forscher beobachteten Veränderungen in menschlichen, Maus- und Hühner-Embryonalstammzellen in verschiedenen Entwicklungsstadien und konzentrierten sich dabei auf P-Körperchen. Diese winzigen Ansammlungen aus RNA und Proteinen im Zytoplasma kommen in nahezu allen Wirbeltierzellen vor.
Der Biochemieprofessor der CU Boulder, Roy Parker, entdeckte P-Körperchen im Jahr 2003. Wissenschaftler hielten sie einst lediglich für zelluläre Krimskrams-Schubladen, in denen aktuell nicht benötigte RNA gespeichert und abgebaut wird. Die neue Forschung widerlegt diese Sichtweise: P-Körperchen funktionieren eher wie organisierte Lagerbehälter. Verschiedene Zelltypen speichern darin unterschiedliche RNA-Moleküle, und nach ihrer Freisetzung können diese RNA-Moleküle eine Zelle in eine andere Entwicklungsrichtung lenken.
Brumbaugh erklärte: „Unsere Studie zeigt, dass P-Körperchen Veränderungen der Zellidentität steuern, indem sie bestimmte Genprodukte vorübergehend sequestrieren und ihre Funktion unterdrücken.“
Noch bemerkenswerter ist, dass Zellen in ein flexibleres Entwicklungsstadium zurückversetzt werden konnten, wenn die Forscher die P-Körperchen störten und ihre RNA wieder ablesen ließen. Wie bei einer Bewegung von einem Ast zurück zum Baumstamm gewannen reife, differenzierte Zellen ihre Flexibilität zurück und konnten erneut zu anderen Zelltypen gelenkt werden.
Eine neue Möglichkeit für totipotente Zellen
Mit dieser Methode wandelte das Team reife Zellen in primordialen Keimzellen ähnliche Zellen (PGCLCs) und totipotenzähnliche Zellen um. Brumbaugh sagte: „Totipotente Zellen sind beinahe der Heilige Gral der Stammzellbiologie. Diese Zellen zuverlässig im Labor zu gewinnen und zu untersuchen, war lange Zeit ein außergewöhnlich schwieriges Ziel.“
Der Durchbruch eröffnet mehrere zukünftige Möglichkeiten. Im Labor erzeugte Keimzellen könnten neue Kinderwunschbehandlungen unterstützen, während totipotente Zellen möglicherweise geschädigte Organe oder Gewebe regenerieren könnten. Noch wichtiger ist, dass die Technik Wissenschaftlern erlauben könnte, Krankheiten bis zu ihrem Ursprung zurückzuverfolgen. So könnten Forscher beispielsweise Neuronen eines Parkinson-Patienten in ihr frühestes Entwicklungsstadium zurückversetzen und direkt beobachten, wie die Krankheit beginnt.
Arzneimittelentwickler könnten diese Zellen im frühen Entwicklungsstadium außerdem nutzen, um präzisere Modelle für Arzneimitteltests zu erstellen.
Die wichtige Rolle der microRNA
Die Studie ergab außerdem, dass nichtkodierende RNA, insbesondere microRNA, eine wichtige Rolle dabei spielt, welche RNA-Moleküle in P-Körperchen gespeichert werden. Die Regulierung dieser microRNAs könnte künftig die Entwicklung neuer Behandlungen für bestimmte Krankheiten unterstützen.
„Das Verständnis des Mechanismus ist nur der erste Schritt“, sagte Di Stefano. „Da wir nun wissen, was diesen Prozess antreibt, können wir beginnen, ihn gezielt zu beeinflussen.“
News | P-Körperchen bestimmen das Zellschicksal: Team der University of Colorado identifiziert einen wichtigen Mechanismus der Zelldifferenzierung
News | P-Körperchen bestimmen das Zellschicksal: Team der University of Colorado identifiziert einen wichtigen Mechanismus der Zelldifferenzierung
Stammzellen sind vielseitige Bausteine des Körpers, aber woher wissen sie, zu welcher Art von Zelle sie werden sollen? Nach fast drei Jahrzehnten Stammzellforschung haben Wissenschaftler einen wichtigen Hinweis auf das Zellschicksal in einer Zellstruktur namens P-Körperchen gefunden.
Eine neue gemeinsame Studie der University of Colorado Boulder und des Baylor College of Medicine zeigt, dass P-Körperchen eine zentrale Rolle bei der Regulierung der Zelldifferenzierung spielen. Durch die Manipulation dieser zellulären Speichereinheiten erzeugte das Team im Labor effizient Zelltypen, deren Gewinnung zuvor äußerst schwierig war. Dazu gehörten Vorläufer von Keimzellen, aus denen Spermien und Eizellen entstehen, sowie totipotente Zellen, die sich zu jedem Zelltyp des Körpers entwickeln können.
„Wie zelluläre Alchemie“: Die Wissenschaft der Steuerung des Zellschicksals
„Ich stelle es mir als eine Art zelluläre Alchemie vor“, sagte der Mitautor und leitende Forscher Justin Brumbaugh, Assistenzprofessor für molekulare, zelluläre und Entwicklungsbiologie an der CU Boulder. „Wenn wir die Schalter verstehen und kontrollieren können, die das Zellschicksal bestimmen, und einen Zelltyp in einen anderen umwandeln, eröffnen wir eine völlig neue Welt der Forschung und Anwendungsmöglichkeiten. Unsere Studie bildet die Grundlage dafür.“
Die Ergebnisse könnten nicht nur das Verständnis der Embryonalentwicklung und der Ursprünge von Krankheiten vertiefen, sondern auch neue Ansätze für die Behandlung von Unfruchtbarkeit, die Organregeneration und die Arzneimittelprüfung bieten. Der Mitautor und leitende Forscher Bruno Di Stefano, Assistenzprofessor am Center for Cell and Gene Therapy des Baylor College of Medicine, sagte: „Es ist von enormem Wert, die Funktionsweise der Biologie auf ihrer grundlegendsten Ebene zu verstehen.“
Den Speicherraum der Zelle erschließen
Die Forscher beobachteten Veränderungen in menschlichen, Maus- und Hühner-Embryonalstammzellen in verschiedenen Entwicklungsstadien und konzentrierten sich dabei auf P-Körperchen. Diese winzigen Ansammlungen aus RNA und Proteinen im Zytoplasma kommen in nahezu allen Wirbeltierzellen vor.
Der Biochemieprofessor der CU Boulder, Roy Parker, entdeckte P-Körperchen im Jahr 2003. Wissenschaftler hielten sie einst lediglich für zelluläre Krimskrams-Schubladen, in denen aktuell nicht benötigte RNA gespeichert und abgebaut wird. Die neue Forschung widerlegt diese Sichtweise: P-Körperchen funktionieren eher wie organisierte Lagerbehälter. Verschiedene Zelltypen speichern darin unterschiedliche RNA-Moleküle, und nach ihrer Freisetzung können diese RNA-Moleküle eine Zelle in eine andere Entwicklungsrichtung lenken.
Brumbaugh erklärte: „Unsere Studie zeigt, dass P-Körperchen Veränderungen der Zellidentität steuern, indem sie bestimmte Genprodukte vorübergehend sequestrieren und ihre Funktion unterdrücken.“
Noch bemerkenswerter ist, dass Zellen in ein flexibleres Entwicklungsstadium zurückversetzt werden konnten, wenn die Forscher die P-Körperchen störten und ihre RNA wieder ablesen ließen. Wie bei einer Bewegung von einem Ast zurück zum Baumstamm gewannen reife, differenzierte Zellen ihre Flexibilität zurück und konnten erneut zu anderen Zelltypen gelenkt werden.
Eine neue Möglichkeit für totipotente Zellen
Mit dieser Methode wandelte das Team reife Zellen in primordialen Keimzellen ähnliche Zellen (PGCLCs) und totipotenzähnliche Zellen um. Brumbaugh sagte: „Totipotente Zellen sind beinahe der Heilige Gral der Stammzellbiologie. Diese Zellen zuverlässig im Labor zu gewinnen und zu untersuchen, war lange Zeit ein außergewöhnlich schwieriges Ziel.“
Der Durchbruch eröffnet mehrere zukünftige Möglichkeiten. Im Labor erzeugte Keimzellen könnten neue Kinderwunschbehandlungen unterstützen, während totipotente Zellen möglicherweise geschädigte Organe oder Gewebe regenerieren könnten. Noch wichtiger ist, dass die Technik Wissenschaftlern erlauben könnte, Krankheiten bis zu ihrem Ursprung zurückzuverfolgen. So könnten Forscher beispielsweise Neuronen eines Parkinson-Patienten in ihr frühestes Entwicklungsstadium zurückversetzen und direkt beobachten, wie die Krankheit beginnt.
Arzneimittelentwickler könnten diese Zellen im frühen Entwicklungsstadium außerdem nutzen, um präzisere Modelle für Arzneimitteltests zu erstellen.
Die wichtige Rolle der microRNA
Die Studie ergab außerdem, dass nichtkodierende RNA, insbesondere microRNA, eine wichtige Rolle dabei spielt, welche RNA-Moleküle in P-Körperchen gespeichert werden. Die Regulierung dieser microRNAs könnte künftig die Entwicklung neuer Behandlungen für bestimmte Krankheiten unterstützen.
„Das Verständnis des Mechanismus ist nur der erste Schritt“, sagte Di Stefano. „Da wir nun wissen, was diesen Prozess antreibt, können wir beginnen, ihn gezielt zu beeinflussen.“
Quelle der Geschichte:
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