SSH & BMP: Das Koordinatensystem der Nerven

Entwicklung des Gehirns ist hochkomplex

Die Gehirnentwicklung ist ein hochkomplexer Vorgang und dennoch wird den im Embryo ständig neu entstehenden Nervenzellen ganz präzise die jeweilige Funktion zugeordnet. Wie das möglich ist, haben Forscher am Institute of Science and Technology (IST) Austria in Klosterneuburg kürzlich gezeigt.

 

Das Wunder des Lebens: Wie kann aus einer einzigen Zelle ein kompletter Organismus entstehen?

Innerhalb von neun Monaten entwickelt sich der menschliche Embryo aus der befruchteten Eizelle, der Zygote, zu einem kompletten, lebensfähigen Organismus. Das ist das große Wunder der Natur, denn es handelt sich um einen hoch-komplexen Vorgang, der genauestens orchestriert ist. Die durch Teilung entstehenden Zellen müssen ganz genau wissen, welche Funktion sie haben und was ihr Zielort ist. Nur so können sich aus den pluripotenten embryonalen Stammzellen spezialisierte Körperzellen wie Hautzellen, Blutzellen oder Gehirnzellen entwickeln.

Um sicherzustellen, dass sich jede der rund 100 Billionen Körperzellen des Menschen am richtigen Platz befindet, muss der Informationsfluss stimmen: alles muss zur richtigen Zeit und am richtigen Ort passieren. Geht während der Embryonalentwicklung bei der Ausdifferenzierung etwas schief, sind schwere Entwicklungsschäden vorprogrammiert. Im schlimmsten Fall führt dies zum Abbruch der Schwangerschaft und damit zur Fehlgeburt. Um dem zu begegnen, hat sich die Evolution eine Reihe von Mechanismen einfallen lassen, sodass die Entwicklung von Lebewesen so robust wie möglich ablaufen kann. Diese Prozesse sind jedoch bis heute nicht genau erforscht und damit auch noch nicht verstanden.

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Das Nervensystem ist hochkomplex. Allein die feinen Verästelungen im Gehirn lassen sich am besten als feines Wurzelgeflecht eines Baumes vorstellen. Während der Embryogenese muss jedoch jede Nervenzellen ihren ganz genauen Platz und damit sowohl Bestimmungsort als auch Aufgabe zugewiesen bekommen. Forscher entschlüsselten die Abläufe im Neuralrohr, aus dem sich das Gehirn, die Wirbelsäule und das Nervensystem entwickeln, und kamen einem einzigartigen Koordinatensystem auf die Spur.

 

Entwicklung des Neuralrohrs legt Grundstein für das Nervensystem

In Klosterneuburg hat man sich nun den Mechanismen angenommen, die dazu führen, dass bei einer Maus das Nervensystem entsteht. Dabei verschafften sie sich Einblicke, wie die verschiedenen Nerventypen in der Wirbelsäule entstehen und wie diese Entwicklung präzise gesteuerte wird.

Bereits in den ersten Tagen nach der Befruchtung, und damit der Verschmelzung von Eizelle und Spermium, beginnt die Entwicklung des Neuralrohrs. Es handelt sich dabei um einen geschlossenen Kanal von Zellen, der sich über die komplette Länge des Embryos erstreckt. Aus dem Neuralrohr entwickelt sich das Gehirn, das Rückenmark sowie das komplette periphere Nervensystem.

 

Aufteilung im Neuralrohr klar geregelt

Die Forscher wussten bereits, dass sich bei allen Wirbeltieren ein gegenläufiger Gradient von zwei Botenstoffen quer durch das Neuralrohr zieht. Dieser Gradient sorgt dafür, dass auf der einen Seite sensorische Neuronen entstehen und auf der gegenüberliegenden Seite sich Motoneuronen entwickeln. Diese sind für die Steuerung der Muskeln zuständig. Genau in der Mitte bildet sich das vegetative Nervensystem, das später die inneren Organe lenkt.

Bislang jedoch war überhaupt nicht klar, warum zwei Botenstoffe dafür benötigt werden. Um eine Antwort auf diese Frage zu finden, maßen die österreichischen Wissenschaftler, wie stark die beiden Signalmoleküle ihre Ziel-Gene aktivierten. Die beiden Signalmoleküle tragen übrigens die Namen Sonic Hedgehog (SHH) sowie Bone Morphogenic Protein (BMP).

Die Computeranalyse zeigte, dass nur beide Moleküle zusammen stark sind, denn eines der Signalmoleküle allein, kann den Zellen keine genaue Identität zuweisen. Erst die Kombination aus beiden Signalmolekülen erlaubt die genaue Angabe im Koordinatensystem und damit die perfekte Identifizierung. Erst die Kombination der Informationen, die von den zwei Signalmolekülen stammen, bilden für die Nervenzellen eine genaue Platzangabe im Koordinatensystem, sodass sie dadurch ihre zukünftige Rolle zugewiesen bekommen.

 

Computermodell ermöglicht genaue Prognosen

Nachdem das grundlegende System offengelegt war, entwickelten die Forscher ein Computermodell der Gradienten. Wenn sie darin die Konzentration eines Faktors verringerten, kam es zu anderen Zellidentitäten. So konnten sich beispielsweise die mittleren Zellen nicht mehr ausbilden oder es gab eine Verschiebung ihrer Position.

Das Computermodell prognostiziert zuverlässig die Interaktion der zwei äußeren Signalfaktoren und die dadurch entstehenden Zelltypen untereinander. Erst all das zusammen ergibt ein stabiles System, indem klar ist, welche Identität einzelne Nervenzelltypen haben. Dies ist nicht nur bei der Entwicklung des Nervensystems, sondern im ganzen späteren Leben enorm wichtig.

 

Die Evolution geht gerne einmal bewährte Pfade

Es hat sich schon mehrfach gezeigt, dass sich stabil funktionierende Mechanismen im Laufe der Evolution immer wieder ähnlich entwickelten. Daher würde es die Forscher nicht überraschen, wenn ähnliche Strategien auch in anderen Geweben nachgewiesen würden. Der entdeckte Zusammenhang könnte sogar helfen, Gewebe gezielt aus Stammzellen zu züchten, denn auch in der Petrischale benötigen Zellen nur genügend Informationen, um zu wissen, was ihre Bestimmung ist.

 

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