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Mittwoch, 20.09.2017
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Medizin-Nobelpreis für die Reprogrammierung von Körperzellen

Entdeckung, dass und wie die Differenzierung umkehrbar ist, revolutionierte Zellbiologie und Medizin

Der Brite John B. Gurdon und der Japaner Shinya Yamanaka bekommen den diesjährigen Nobelpreis für Medizin. Ausgezeichnet werden sie für die Entdeckung, dass auch erwachsene, bereits spezialisierte Zellen wieder dazu gebracht werden können, sich wie Stammzellen zu verhalten. Auf bestimmte Weise manipuliert, können diese reprogrammierten Zellen dann wieder fast alle Gewebe des menschlichen Körpers hervorbringen.
Ausdifferenzierte Bindegewebszellen: Sie können nur noch Zellen ihres Typs hervorbringen

Ausdifferenzierte Bindegewebszellen: Sie können nur noch Zellen ihres Typs hervorbringen

Lange Zeit galt das Schicksal einer erwachsenen Körperzelle als besiegelt: Einmal ausdifferenziert, könne sie sich zwar teilen und vermehren, aber nur noch genau den Zelltyp hervorbringen, zu dem sie auch selbst gehört. Aus einer Hautzelle wird immer wieder nur eine Hautzelle, der Vorläufer einer Knochenzelle bringt nur Knochenzellen hervor. Anders ist dies im Embryo: In den ersten Tagen nach der Befruchtung sind dessen Zellen noch Alleskönner. Diese sogenannten Stammzellen haben noch das Potenzial, sich zu allen Zelltypen und Geweben des Körpers fortzuentwickeln. Erst im Laufe der Entwicklung des Fötus entstehen immer speziellere Zellen - einen Trend, den man für eine Einbahnstraße hielt.

Leseblockade in der genetischen Bauanleitung aufgehoben


1962 entdeckte der britische Zellbiologe John B. Gurdon, dass die Programmierung erwachsener Zellen unter bestimmten Bedingungen doch rückgängig gemacht werden kann. Er ging dabei von der Annahme aus, dass theoretisch jede Zelle des Körpers noch die volle Erbinformation enthält - also auch die Information, die für sämtliche anderen Zelltypen benötigt wird. Normalerweise aber wird diese Information nicht komplett mit ausgelesen - wie bei einem Buch, bei dem die Seiten einiger Kapitel verklebt sind und damit unleserlich. Jede Zelle liest dadurch quasi nur den Teil der genetischen Bauanleitung, die sie für ihre Zellfunktionen benötigt.

John B. Gurdon entdeckte die Reprogrammierung bei Froscheizellen.

John B. Gurdon entdeckte die Reprogrammierung bei Froscheizellen.

In einem Experiment mit Froscheiern gelang es Gurdon jedoch zu beweisen, dass diese Leseblockade aufgehoben werden kann. Für seinen Versuch pflanzte Gurdon den Zellkern einer erwachsenen Darmzelle in die Eizellhülle eines Frosches ein. In Kultur gehalten, entwickelte sich aus diesem Konstrukt nicht etwa eine Darmzelle, sondern ein voll funktionsfähiger Frosch. Die mit dem Darmzell-Erbgut ausgestattete Eizelle brachte alle für einen kompletten Körper nötigen Gewebe und Zellen hervor. Die Eizellumgebung musste den eingepflanzten Zellkern und sein Erbgut irgendwie umprogrammiert haben, so Gurdons Schlussfolgerung. Die Leseblockade für den normalerweise im Darm nicht benötigten Teil der DNA musste aufgehoben worden sein.


Diese Erkenntnis des Forschers wurde von seinen Kollegen zunächst mit Skepsis aufgenommen. Bald jedoch gelang es auch anderen Wissenschaftlern, Gurdons Ergebnisse nachzuvollziehen. Eine Frage blieb dabei allerdings noch offen: Welche Faktoren führten dazu, dass der Kern der erwachsenen Körperzelle plötzlich wieder zu einer undifferenzierten Stammzelle wurde?

Shinya Yamanaka identifizierte die vier Gene, die die Reprogrammierung auslösen

Shinya Yamanaka identifizierte die vier Gene, die die Reprogrammierung auslösen

Vier Gene machen Zellen wieder zu Stammzellen


Eine Antwort auf diese Frage lieferte mehr als 40 Jahre später Shinya Yamanaka vom Nara Institute of Science and Technology in Japan. Er arbeitete mit embryonalen Stammzellen, den Zellen des Embryos, die noch pluripotent sind, aus denen also noch alle verschiedenen Gewebetypen entstehen können. Yamanaka und seine Kollegen wollten herausfinden, was diese Zellen zu Stammzellen macht und vermuteten diese Einflussfaktoren in den Genen.

In mehreren Experimenten schleusten die Forscher verschiedene Gene aus den embryonalen Stammzellen von Mäusen in erwachsene Zellen aus dem Bindegewebe, sogenannte Fibroblasten, ein. Anschließend beobachteten sie mit dem Mikroskop, ob sich an den auf diese Weise genetisch veränderten Zellen Anzeichen für eine "Verjüngung", für eine Umwandlung zur Stammzelle, zeigten.

Nach zahlreichen Durchgängen hatten sie im Jahr 2006 schließlich Erfolg: Sie stellten fest, dass nur vier einzelne Gene ausreichten, um eine erwachsene, ausdifferenzierte Körperzelle wieder in eine Stammzelle zu verwandeln. Wurden diese Gene zusammen in das Erbgut einer Bindegewebszelle eingeschleust, teilte sie sich anschließend nicht mehr zu Bindegewebszellen, sondern auch zu Nervenzellen oder Zellen der Darmschleimhaut. Die eingeschleusten Gene sorgen dafür, dass die zuvor bei der Körperzelle blockierten - weil nicht benötigten - Teile des Erbguts wieder abgelesen werden konnten. Dadurch erhielt auch diese Zelle das Potenzial, wieder nahezu alle Zelltypen hervorzubringen.

"Die Entdeckungen von Gurdon und Yamanaka haben damit unsere Vorstellung über die Zellentwicklung und Spezialisierung vollkommen verändert", erklärt die Nobel-Stiftung in ihrer Erklärung zur Preisverleihung. Obwohl Das Erbgut im Laufe der Entwicklung Veränderungen durchmache, seien diese Änderungen nicht irreversibel, wie einst angenommen. Das habe sowohl in der Stammzell-Forschung als auch in der Medizin neue Perspektiven eröffnet.

Mehr zu den Nobelpreisen
(Nobel Foundation, 08.10.2012 - NPO)
 
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