Entstehung von Fehlbildungen im Gehirn

Wenn das feinjustierte Programm aus dem Takt gerät

Die Entwicklung von Gehirnzellen kann ausgezeichnet mit einer von einem Orchester aufgeführten Sinfonie verglichen werden. Wann genau, welcher Akteur einsetzt, ist in der Partitur bis ins kleinste Detail festgelegt. So ähnlich ist es auch bei der menschlichen Entwicklung. Hier bestimmt der genetische Bauplan das Programm. Kommt es zu Störungen, sind Fehlbildungen die Folge.

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Im Orchester sorgt die Partitur für eine klare Aufgabenteilung. Der Dirigent sorgt dafür, dass die Musiker im Takt bleiben. Ganz ähnlich verhält es sich auch bei den Stammzellen. Die Gene legen die Prozesse fest. Allerdings können einzelne Gene zu unterschiedlichen Zeitpunkten mal Dirigent und mal Solist sein.

 

Im Fachjournal „Neuron“ berichteten Forscher des Institute of Science and Technology (IST) in Klosterneuburg (Österreich) kürzlich über ihre Untersuchungen im Rahmen von Fehlbildungen bei Gehirnzellen. Sie identifizierten dabei das Gen Lgl1, das eine Schlüsselrolle bei der Produktion von Neuronen und Gliazellen spielt. Um im eingangs erwähnten Orchesterbild zu bleiben: Lgl1 ist gleichzeitig Dirigent und Solist.

 

Wieso wächst das Gehirn auf seine normale Größe heran?

Die Frage: „Wieso hat das Gehirn eine normale Größe?“ könnte aus jedem Kindermund stammen und als Kinderfrage Eltern ins Schwitzen bringen. Jedoch beschäftigt diese scheinbar banale Frage auch die Wissenschaft. Um Antworten zu liefern, müssen die Experten das komplette Arsenal der modernen Untersuchungstechniken zücken.

Bereits vor Jahren entschlüsselten die Neurobiologen des IST das Entwicklungsprogramm für Gehirnzellen im Neocortex. Dieser Teil des Denkorgans nimmt beim Menschen den meisten Platz ein. In ihm sind alle höheren, kognitiven Funktionen wie Denken, Sinne und Kontrolle von Bewegungen angesiedelt.

Ganz am Anfang der Entwicklung stehen die neuronalen Stammzellen. Während der Embryonalentwicklung werden diese im Gehirn als Radiale Gliavorläuferzellen (RGP) bezeichnet. Im Neocortex sind sie für die Produktion der Neuronen und Gliazellen zuständig. Ein genau choreografiertes Programm sorgt dafür, dass aus jeder einzelnen Radialen Gliavorläuferzelle eine exakt definierte Menge an Neuronen und Gliazellen entsteht. Diese „Matrize“ stellt sicher, dass das Gehirn zu seiner normalen Größe heranwachsen kann.

Für ihre Untersuchungen griffen die österreichischen Forscher auf die „Mosaic Analysis with Double Markers“-Technik, kurz MADM, zurück. Mit Hilfe dieses Verfahrens lassen sich im dichten Gehirngewebe einzelne Neuronen und ihre Verästelungen einfärben und mit einem Fluoreszenzmikroskop beobachten. So kann die Entwicklung der Zellen verfolgt werden.

Dank MADM konnten die Wissenschaftler nun untersuchen, welche Prozesse den exakten Output der Radialen Gliavorläuferzellen steuern. Dazu musste die Rolle des Gens Lgl1 analysiert werden. Im Mäusemodell eliminierten die Forscher das Gen in einzelnen Vorläuferzellen, die sich in verschiedenen Entwicklungsphasen befanden.

 

Lg1 übernimmt Schlüsselrolle bei der Produktion von Gehirnzellen

Diese gezielte Manipulation hatte natürlich Auswirkungen. Die Unterschiede zwischen manipulierten und normalen Zellen waren groß. In der ganz frühen Embryonalentwicklung sorgt Lgl1 dafür, dass die optimale Anzahl an Nervenzellen produziert wird – also nicht zu viele aber auch nicht zu wenige. Damit gleicht Lgl1 dem Dirigenten, der das Orchester im Takt hält.

Fehlt das Gen in einzelnen Radialen Gliavorläuferzellen, so können andere Zellen den Ausfall kompensieren. Fehlt das Gen jedoch in allen RGPs, so kommt es zwangsläufig zu Missbildungen. Ein Beispiel dafür ist das „Double Cortex Syndrome“.

Im postnatalen Gehirn übernimmt das Gen andere Funktionen. Die Radialen Gliavorläuferzellen haben sich zum Zeitpunkt unmittelbar nach der Geburt bereits zu adulten Stammzellen weiterentwickeln. Diese adulten Stammzellen können in zwei Subtypen angehören: jenen Stammzellen, die Neuronen produzieren und jenen Stammzellen, die für Nachschub an Gliazellen sorgen.

Hier unterscheidet sich die Aufgabe von Lgl1. Es ähnelt nun dem eines Solisten, denn das Gen wird nur in den Zellen benötigt, die gerade mit der Produktion von Neuronen oder Gliazellen beschäftigt sind. Fehlt das Gen in diesem Augenblick, werden viel zu viele Gliazellen produziert.

 

Rolle von Genen muss zukünftig auch im zeitlichen Kontext betrachtet werden

Die Ergebnisse werden die zukünftige Analyse der Rolle von Genen beeinflussen. Je nach Entwicklungsphase müssen Forscher in Zukunft differenzieren, welche Rolle ein Gen spielt, um genaue Rückschlüsse zu dessen Funktion ziehen zu können. Für die Zuhörer einer Sinfonie ist es von Bedeutung, ob der Musiker als Dirigent, als einfaches Orchestermitglied oder als Solist auf der Bühne steht. Und genau so ist es auch beim Zusammenspiel von Stammzellen und Genen.

 

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