Das Rezept für ein motorisches Neuron

Stammzellen können direkt zu Motoneuronen umprogrammiert werden. Was dabei in der Zelle passiert, hat ein internationales Forschungsteam nun herausgefunden. Sie entdeckten einen dynamischen, mehrstufigen Prozess, in dem mehrere unabhängige Veränderungen konvergieren, um Stammzellen in Motoneuronen zu verwandeln.

„Es gibt großes Interesse an der Erzeugung von Motoneuronen, um grundlegende Entwicklungsprozesse sowie Erkrankungen wie die amyotrophe Lateralsklerose (ALS) und die spinale Muskelatrophie erforschen“, erklärt Shaun Mahony, Assistenzprofessor für Biochemie und Molekularbiologie an der Pennsylvania State University und einer der Hauptautoren des Artikels.

„Durch die ausführliche Beschreibung der Mechanismen, die der direkten Programmierung von Motoneuronen aus Stammzellen zugrunde liegen, trägt unsere Studie nicht nur zur wissenschaftlichen Erforschung der Motoneuronen-Entwicklung und der damit im Zusammenhang stehenden Erkrankungen bei. Sie erweitert auch unser Verständnis des Programmierungsvorgangs und kann so zur Entwicklung von Verfahren beitragen, mit denen sich aus Stammzellen andere Zelltypen generieren lassen.“

Verfahren zur direkten Programmierung könnten eines Tages genutzt werden, um bestimmte Zelltypen aus anderen zu erzeugen und so fehlende oder geschädigte Zellen zu ersetzen. Die Untersuchungsergebnisse erscheinen am 8. Dezember 2016 online in der Fachzeitschrift Cell Stem Cell und zeigen, vor welchen Herausforderungen die Zellersatztechnologie derzeit noch steht. Sie weisen jedoch auch einen möglichen Weg zur Entwicklung besser anwendbarer Verfahren auf.

„Die direkte Programmierung birgt zwar enormes therapeutisches Potenzial, ist jedoch im Allgemeinen ineffizient und berücksichtigt die molekulare Komplexität nicht genügend“, so Esteban Mazzoni, Assistenzprofessor am Fachbereich Biologie der New York University und ebenfalls ein Hauptautor der Studie. „Unsere Untersuchungsergebnisse geben jedoch Hinweise auf mögliche neue Ansätze für verbesserte gentherapeutische Verfahren.“

Die Forscher hatten bereits zuvor den Nachweis erbracht, dass sich durch die Expression von drei Transkriptionsfaktoren – also Genen, die die Expression anderer Gene steuern – Stammzellen von Mäuseembryonen in Motoneuronen umwandeln lassen. Diese Transformation dauert etwa zwei Tage. Um genauere Erkenntnisse über die zellulären und genetischen Mechanismen zu gewinnen, die der Umwandlung zugrunde liegen, untersuchten die Forscher nun, wie die Transkriptionsfaktoren an die DNA banden, sowie die resultierenden Veränderungen der Genexpression und Chromatin-Modifikationen innerhalb von 6-Stunden-Intervallen im Laufe der Umwandlung.

„Wir verfügen über ein sehr effizientes System, mit dem wir Stammzellen mit einer Erfolgsquote von 90 bis 95 Prozent in Motoneuronen verwandeln können, indem wir den richtigen Mix aus Transkriptionsfaktoren hinzufügen“, so Dr. Mahony. „Diese hohe Effizienz hat es uns ermöglicht, genau zu ermitteln, was sich während dieser Veränderung innerhalb der Zelle abspielt.“

„Eine Zelle des Embryos durchläuft bei ihrer Entwicklung mehrere Zwischenstadien“, erklärt Prof. Dr. Uwe Ohler, Wissenschaftler am Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin in der Helmholtz-Gemeinschaft (MDC) in Berlin und einer der Hauptautoren der Studie. „Bei der direkten Programmierung fallen diese Zwischenschritte weg. Wir tauschen das komplette Transkriptionsnetzwerk der Zelle mit einem Schlag aus, ohne dass dabei die zellulären Zwischenphasen durchlaufen werden. Wir wollten herausfinden, wie der zeitliche Ablauf und die Kinetik der Chromatin-Modifikationen und Transkriptionsereignisse aussehen, die direkt über das endgültige Schicksal der Zelle bestimmen.“

Dabei entdeckte das Forscherteam ein überraschendes Maß an Komplexität: Die Programmierung dieser Stammzellen zu Neuronen ist das Ergebnis zweier unabhängiger Transkriptionsprozesse, die letztendlich zusammenlaufen.

Zu Beginn dieses Prozesses arbeiten zwei der beteiligten Transkriptionsfaktoren – Isl1 und Lhx3 – zusammen. Sie binden sich an das Genom und setzen eine Reihe von Ereignissen in Gang, darunter Veränderungen an der Chromatinstruktur und der Genexpression in den Zellen.

Der dritte Transkriptionsfaktor, Ngn2, bewirkt unabhängig davon weitere Veränderungen an der Genexpression. Im weiteren Verlauf des Transformationsprozesses nutzen Isl1 und Lhx3 Zellveränderungen, die von Ngn2 ausgelöst wurden, um die Umwandlung abzuschließen. Um dieselbe Zellveränderung durch direkte Programmierung zu erwirken, müssen diese beiden Prozesse erfolgreich koordiniert werden.

„Die direkte Programmierung wird von vielen Wissenschaftlern als potenziell attraktive Methode betrachtet, da sie sowohl in vitro – also außerhalb des lebenden Organismus – durchgeführt werden kann, als auch in vivo – im lebenden Körper selbst und vor allem dort, wo die Zellschädigung vorliegt“, so Mazzoni. „Es gibt jedoch noch offene Fragen bezüglich der konkreten Anwendbarkeit für die Zellreparatur, insbesondere deshalb, weil der biologische Prozess so hoch komplex ist. Wir halten es langfristig für möglich und sinnvoll, die neuen Erkenntnisse beispielsweise dafür einzusetzen, Zellen im Rückenmark zu manipulieren, um so die Neuronen zu ersetzen, die für willkürliche Bewegungen benötigt und durch Erkrankungen wie ALS zerstört werden.“

Mitglieder des Forschungsteams waren neben Prof. Esteban Mazzoni, Prof. Shaun Mahony und Prof. Uwe Ohler auch Dr. Silvia Velasco, Görkem Garipler, Begüm Aydin, Mohamed Ahmed Al-Sayegh, Farah Abdul-Rohman und Prof. Rahul Satija von der New York University, Mahmoud M. Ibrahim und Antje Hirsekorn am MDC und Akshay Kakumanu von der Pennsylvania State University.

Unterstützt wird das Forschungsprojekt durch das National Institute of Child Health and Human Development, das Project ALS, das Doktoranden-Austauschprogramm von Max-Delbrück-Centrum und New York University, der Simons Foundation und dem Center für Eukaryotic Gene Regulation an der Pennsylvania State University.

Silvia Velasco et al. (2016): „A Multi-step Transcriptional and Chromatin State Cascade Underlies Motor Neuron Programming from Embryonic Stem Cells.“ Cell Stem Cell 20. doi: j.stem.2016.11.006

https://insights.mdc-berlin.de/de/2016/12/das-rezept-fuer-ein-motorisches-neuron… – Diese Meldung auf den Seiten des MDC