Stammzellen würfeln nicht (nur)

Aus einer befruchteten Eizelle entsteht in nur wenigen Wochen ein komplett neuer Organismus. Das eigentliche Wunder dabei ist, dass aus einem kleinen Haufen vollkommen identischer Stammzellen ganz unterschiedliche, spezialisierte Zelltypen werden. Das Team um Christian Schröter, Gruppenleiter am Max-Planck-Institut für molekulare Physiologie in Dortmund, hat nun zeigen können, dass die Spezialisierung von Zellen während der Embryonalentwicklung nicht wie bisher angenommen ausschließlich vom Zufall abhängt, sondern vielmehr durch die Kommunikation der Zellen bestimmt wird.

Stammzellen sind wahre Multitalente. Sie können sich zu jedem Zelltyp eines Organismus entwickeln – im Menschen sind das über 200 – und somit alle lebensnotwenigen Aufgaben verrichten . Haben sich die Stammzellen einmal für eine Aufgabe entschieden, entwickeln sie einem Tunnelblick und nichts kann sie mehr davon abhalten, sich zu spezialisieren. Die Aufgabenverteilung führt dazu, dass die Endprodukte, Organe und Gewebe, fast immer gleich aussehen, und die gleichen Anteile an unterschiedlich spezialisierten Zellen aufweisen. Doch woher wissen die Zellen eigentlich, was sie werden möchten und wie viele von ihnen das überhaupt dürfen?

Alles nur Zufall?

Ein wichtiger Regulator der Aufgabenverteilung ist die Kontrolle von Genen durch Transkriptionsfaktoren wie NANOG und GATA. Liegen die beiden anfänglich noch zusammen vor, ändert sich dies jedoch grundlegend nach einer der ersten einschneidenden Weichenstellungen, bei der aus dem anfänglichen Zellhaufen zwei verschieden Zelltypen entstehen: Die einen sind Zellen des frühen Embryos, in denen jetzt nur noch NANOG vorkommt, die anderen sind Vorläufer der Fruchtblase, die nun ausschließlich GATA in sich tragen. Bisher dachte man, dass die Entscheidung jeder einzelnen Zelle schon zu einem frühen Zeitpunkt eher zufällig fällt, ähnlich wie beim Würfelspiel, nur das hier nur NANOG oder GATA gewürfelt werden können.

Zellen entscheiden im Kollektiv

In einer vorherigen theoretischen Arbeit konnte Aneta Koseska, Ko-Autorin der Studie und ehemalige MPI Gruppenleiterin, mit Hilfe von Christian Schröter ein neues Konzept aufstellen, das zeigt, wie sich Stammzellen untereinander abstimmen, um sich in den richtigen Anteilen zu spezialisieren. In der aktuellen Publikation ist es Christian Schröter und seinem Team nun gelungen, das theoretische Konzept zu untermauern. Mit Stammzellen im Reagenzglas konnten die Forschenden zeigen, dass die Entscheidungsfindung nicht wie bisher angenommen rein zufällig auf der Ebene einzelner Zellen abläuft, sondern innerhalb der Zellgemeinschaft kommuniziert wird.

Mit gezinkten Würfeln

Um das Schicksal der Zellen nicht dem Zufall zu überlassen, haben die Forschenden bei ihren Untersuchungen den NANOG-GATA Würfel so manipuliert, dass jetzt häufiger GATA als NANOG gewürfelt wird. Dies wurde experimentell durch eine künstliche Erhöhung der Menge an GATA erreicht. Das Experiment ging auf, der Trick jedoch nicht: denn selbst wenn nun immer eine Sechs gewürfelt wurde – also GATA -, entstanden weiterhin gleiche Anteile der beiden verschiedenen Zelltypen. Die Aufgabenverteilung beruht also auf mehr als nur dem bloßen Zufall.

Entscheidungen werden im Team kommuniziert

In Anlehnung an ihr theoretisches Konzept untersuchten die Forschenden die Rolle der Kommunikation bei der Embryonalentwicklung. Als zentrales Kommunikationsmittel nutzen Zellen Botenstoffe wie Wachstumsfaktoren, die sie selbst produzieren und ausschütteten. Diese werden dann von anderen Zellen empfangen und steuern deren Spezialisierung. Nahmen die Forschenden den Zellen einen für die Zellentwicklung wichtigen Wachstumsfaktor weg, konnten sich die Zellen trotz hoher GATA-Mengen nicht mehr entsprechend entwickeln. Je mehr Wachstumsfaktor die Zellen aber erhielten, desto mehr Vorläuferzellen der Fruchtblase entwickelten sich auch. Ihre Fähigkeit sich trotz Störungen in den richtigen Anteilen auf die beiden Zelltypen aufzuteilen, ging damit verloren. Stammzellen müssen sich also absprechen, um die richtige Entscheidung treffen zu können.

„Mit der Kommunikation bei der Zellentwicklung ist es wie mit der Arbeit in einem Team. Wenn die Mitglieder sich Aufgaben aussuchen, ohne sich abzusprechen, wird manches doppelt erledigt und anderes gar nicht. Ein gut kommunizierendes Team kann hingegen aufkommende Probleme lösen und auch komplexe Projekte zuverlässig und effizient fertigstellen,“ vergleicht Christian Schröter. „Es ist also nicht nur der Zustand der einzelnen Zelle, der entscheidet, was mit ihr passiert, sondern die funktionierende Kommunikation mit den anderen Zellen.“

Originalpublikation:

Raina D, Bahadori A, Stanoev A, Protzek M, Koseska A, Schröter C (2021). Cell-cell communication through FGF4 generates and maintains robust proportions of differentiated cell types in embryonic stem cells. Development

https://doi.org/10.1242/dev.199926

http://www.mpi-dortmund.mpg.de