Wie Stammzellen entscheiden, welche Zelltypen aus ihnen hervorgehen

Einem Forschungsteam um Prof. Sebastian Arnold und Jelena Tosic von der Medizinischen Fakultät der Universität Freiburg ist es in einer Studie gelungen, grundlegende molekulare Steuerungsmechanismen zu entschlüsseln, nach denen Stammzellen entscheiden, welche embryonalen Zelltypen aus ihnen hervorgehen.

Die komplett undifferenzierten Stammzellen des Embryos entwickeln sich entweder zu Zellen des Nervensystems, dem Neuroektoderm, oder zu Zellen des Meso- und Endoderms, woraus sich beispielsweise viele unterschiedliche Zelltypen der inneren Organe oder der Muskeln entwickeln. Seit mehr als 25 Jahren ist bekannt, dass es embryonale Signalmoleküle gibt, beispielsweise TGFβ- und Wnt-Signale, die diese Entscheidung regulieren. Unklar war bisher jedoch, wie genau sie diese erste Entscheidung bei der Zelldifferenzierung steuern.

Die im Rahmen von Tosics Promotionsarbeit durchgeführte Studie zeigt, dass genregulierende Transkriptionsfaktoren der Familie der T-Box-Faktoren, namentlich Eomes und Brachyury, die embryonalen TGFβ- und Wnt-Signale übermitteln. Diese sind dafür verantwortlich, dass die Differenzierungsprogramme für alle Meso- und Endodermzellen angeschaltet werden. Gleichzeitig sind diese T-Box-Faktoren aber auch Gen-Repressoren, die verhindern, dass Nervengewebe entsteht, indem sie die entsprechenden Genprogramme unterdrücken. Sie verändern dabei die Struktur, nicht aber den Inhalt der Erbinformation im Zellkern.

„Die Ergebnisse der Studie sind ein entscheidender Schritt, um grundlegende Mechanismen zu verstehen, wie Zellen während der Entwicklung ihre spätere Identität erlangen“, sagt Arnold. Sie ermöglichen zudem weiterführende Studien zu der Frage, wie die zelluläre Identität dauerhaft in einer Zelle festgeschrieben wird.

Sebastian Arnold arbeitet am Institut für Experimentelle und Klinische Pharmakologie und Toxikologie der Medizinischen Fakultät an der Universität Freiburg. Zudem ist er an den Sonderforschungsbereichen 850, 1140 und 994 sowie an dem Freiburger Exzellenzcluster CIBSS – Centre for Integrated Biological Signalling Studies beteiligt.