Steuermechanismus biologischer Musterbildung entschlüsselt

Wie können einfache embryonale Strukturen die vielfältigen und komplexen Erscheinungsformen der belebten Natur hervorbringen? Freiburger Wissenschaftler haben jetzt jene Proteine identifiziert, die das Muster der Haarbildung bei Mäusen regulieren. Danach kontrollieren von der Haut produzierte Proteine, die WNT’s, die für die Anlage von Haarfollikeln essentiell sind, zusammen mit den so genannten DKK-Inhibitoren die räumliche Anordnung der Follikel. Mit einem mathematischen Modell auf der Basis von Proteinreaktionen und -diffusionen konnten die Forscher die Dynamik und Parameter der Haarbildung erklären und die bislang noch nicht bestätigte Turing-Hypothese der biologischen Musterbildung erstmals experimentell bestätigen (Science Express, 2. November 2006).

Während der Reifung der Haut führt eine wohlgeordnete Abfolge molekularer Prozesse zur Entstehung verschiedener epidermaler Strukturen, zu denen auch die Haar- und Federfollikel von Säugetieren bzw. Vögeln zählen. Ein besonderes Merkmal dieser Follikel ist ihre charakteristische räumliche Verteilung und Dichte. Eine herausragende Rolle unter den Substanzen, die an der Induktion und Heranreifung der Follikel beteiligt sind, spielen Signalmoleküle aus der Familie der WNT’s. Erfüllen diese Proteine ihre Funktion nicht, fehlen jegliche morphologischen und molekularen Anzeichen einer Musterbildung. Die Wirkung der WNT’s wird unter anderem durch Inhibitoren aus der Proteinfamilie der DKK’s reguliert, die auch während der Follikelinduktion produziert werden.

Eine mögliche Erklärung für die Entstehung biologischer Muster lieferte in den 1950er-Jahren der englische Mathematiker Alan Turing, auch bekannt für seine Beteiligung an der Entschlüsselung des deutschen Enigma Codes während des Zweiten Weltkrieges und seine grundlegenden Arbeiten zur Computertheorie. Aus rein theoretischen Erwägungen schlug Turing damals einen Reaktions-Diffusions-Mechanismus vor, in dem zwei chemische Substanzen miteinander reagieren und diffundieren. Er bewies mathematisch, dass ein solch einfaches System eine Vielzahl von Mustern hervorbringen kann. Wenn die eine Substanz, der Aktivator, sich selbst und einen Inhibitor produziert, während der Inhibitor den Aktivator abbaut oder hemmt, können spontan Verteilungsmuster der Substanzen in Form von Streifen und Flecken entstehen. Eine wesentliche Voraussetzung dafür ist, dass der Inhibitor sich durch Diffusion schneller verteilen kann als der Aktivator und auf diese Weise die unregelmäßige Verteilung stabilisiert. Eine solche Dynamik könnte die Anordnung periodischer Körperstrukturen sowie die Muster der Fellzeichnung bestimmen.

Biologen vom Max-Planck Institut für Immunbiologie in Freiburg haben nun in Zusammenarbeit mit theoretischen Physikern und Mathematikern der Universität Freiburg erstmals experimentelle Beweise für die Turing-Hypothese der Musterbildung geliefert: Den Forschern gelang es Substanzen zu identifizieren, die die Verteilung von Haarfollikeln bei Mäusen bestimmen. Durch einen systembiologischen Ansatz, der experimentelle Ergebnisse mit mathematischen Modellen und Computersimulationen verknüpft, konnten sie zeigen, dass Proteine der WNT- und der DKK-Familie die räumliche Anordnung von Haarfollikeln maßgeblich kontrollieren und den theoretischen Anforderungen der Turing-Hypothese der Musterbildung genügen. Gemäß den Vorhersagen des mathematischen Modells ändern sich Dichte und Anordnung der Haarfollikel bei verstärkter oder verminderter Expression der WNT- und DKK-Proteine (s. Abb.).

Neben der grundlegenden Bedeutung für das Verständnis der biologischen Musterbildung legen diese Erkenntnisse das Fundament, um den Prozess der Haarbildung unter Einbeziehung weiterer Faktoren, die vermutlich über die Kontrolle der WNT’s und DKK’s wirken, im Detail aufzuklären. Im Hinblick auf die generelle Rolle von WNT-Signalen für die Entstehung epidermaler Strukturen könnte der aktuellen Studie auf lange Sicht eine therapeutische Bedeutung zum Beispiel für die in vitro Herstellung vollwertiger Haut zu Transplantationszwecken zukommen.

Originalveröffentlichung:

Stefanie Sick, Stefan Reinker, Jens Timmer, Thomas Schlake
WNT and DKK Determine Hair Follicle Spacing Through a Reaction-Diffusion Mechanism, Science, Science Express, November 2, 2006