Dem Zellschicksal auf die Schliche kommen

Aus Blutstammzellen können verschiedene Arten von Blutzellen hervorgehen. Quelle: Fotolia/psdesign1
Neuherberg, 28. Juli 2016. Ein internationales Forscherteam um Wissenschaftler vom Helmholtz... Biologisch gesehen ist eine Zelle die kleinste Funktionseinheit lebender Organismen. Die Anzahl der Zellen im menschlichen Körper ist gigantisch und erreicht die Grössenordnung von 10 bis 100 Billionen – je nach Körpergrösse und Gewicht. Die meisten dieser Zellen sind ausdifferenziert, sie nehmen im Körper spezifische Funktionen wahr. Andere Zellen, die sogenannten Stammzellen, können sich durch Teilung unbeschränkt selbst erneuern und sorgen für Nachschub an ausdifferenzierten Körperzellen. Denn die Lebensdauer gewisser Körperzellen ist relativ kurz: Zum Beispiel sterben manche weisse Blutkörperchen (Leukozyten) und Blutplättchen (Thrombozyten) bereits nach Stunden bis einigen Tagen ab, rote Blutkörperchen (Erythrozyten) nach rund 4 Monaten.

Blutbildende Stammzellen

Blutstammzellen im Knochenmark bilden daher jede Sekunde Millionen neuer Blutzellen. Diese Blutstammzellen sind sogenannt multipotent, denn aus ihnen können alle Arten von Blutzellen mit unterschiedlichen Funktionen hervorgehen: Rote Blutzellen, zuständig für den Sauerstofftransport, für die Immunabwehr verantwortliche weisse Blutzellen und Blutplättchen, wichtig für die Blutgerinnung. Wie Blutstammzellen die verschiedenen Zelltypen entwickeln, ist bis heute erst in Ansätzen verstanden. Der Weg der Differenzierung, also die Entscheidung, zu welchem Zelltyp sich eine Zelle entwickelt, hängt von verschiedenen äusseren und inneren Faktoren ab. Timm Schroeder, Professor am Departement Biosysteme der ETH Zürich mit Sitz in Basel, erforscht zusammen mit seinem Team die Faktoren, die bei der Ausrichtung der einzelnen Blutzellen eine Rolle spielen. „Die Regulation der Differenzierungsrichtung von Blutstammzellen ist für die normale tagtägliche Aufrechterhaltung der Blutbildung essentiell“, erklärt Schroeder, der zuvor am Helmholtz Zentrum in München arbeitete. „Wenn sie nicht richtig funktioniert, entstehen lebensbedrohliche Erkrankungen wie Anämien und Leukämien. Daher möchten wir den molekularen Mechanismus dieser Regulation besser verstehen.“

Beobachtung auf molekularer Ebene

Der Zellbiologe analysierte zusammen mit seinem Team, wie sich Blutstammzellen in die verschiedenen Arten von Blutzellen ausdifferenzieren und wie Moleküle im Zellkern (Transkriptionsfaktoren) diesen komplexen Vorgang steuern. Zusammen mit Wissenschaftlern um Prof. Dr. Dr. Fabian Theis, Direktor des Institute of Computational Biology am Helmholtz Zentrum München, entwickelten sie dafür eine neue Mikroskopietechnik zur Zellbeobachtung – eine spezielle Technologie, die es weltweit in nur sehr wenigen Stammzell-Labors gibt. Besonders die beiden Proteine GATA1 und PU.1 standen im Fokus der Forscher. Diese spielen eine wichtige Rolle bei der Ausdifferenzierung von Blutzellen, erzählt Timm Schroeder. „Sie sind Transkriptionsfaktoren, welche umfangreiche genetische Programme mit vielen Zielgenen an- oder abschalten können. Das macht sie zu mächtigen Regulatoren von Zellschicksalen.“

Vielversprechendes Potenzial

So konnten die Grundlagenforscher mittels Zeitraffer-Mikroskopie lebende Blutstammzellen mit bisher nicht gekannter Präzision bei der Ausreifung beobachten und die beiden Proteine GATA1 und PU.1 quantifizieren. „Über Jahrzehnte dachte man, dass diese beiden Transkriptionsfaktoren die Linienentscheidungen von Blutstammzellen treffen. Nun konnten wir zeigen, dass dies nicht der Fall ist und dass andere Mechanismen für diese Entscheidungen verantwortlich sein müssen“, erklärt Schroeder. Die Forschung müsse sich nun auf andere molekulare Mechanismen konzentrieren, um die sehr komplexe Blutstammzell-Differenzierung zu verstehen. Blutkrankheiten wie zum Beispiel Leukämie sind schwere Störungen des blutbildenden Systems im Knochenmark. Um solche Krankheiten in Zukunft besser zu verstehen und erfolgreich zu therapieren, sind genaue Kenntnisse über die Entstehung der einzelnen Blutzellen wichtig. Ein Grundstein dazu wurde jetzt gelegt.

Weitere Informationen

Originalpublikation:
Hoppe SP et al.: Early myeloid lineage choice is not initiated by random PU.1 to GATA1 protein ratios. Nature 2016, 535: 299-302, doi: 10.1038/nature18320 Das Helmholtz Zentrum München verfolgt als Deutsches Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt das Ziel, personalisierte Medizin für die Diagnose, Therapie und Prävention weit verbreiteter Volkskrankheiten wie Diabetes mellitus und Lungenerkrankungen zu entwickeln. Dafür untersucht es das Zusammenwirken von Genetik, Umweltfaktoren und Lebensstil. Der Hauptsitz des Zentrums liegt in Neuherberg im Norden Münchens. Das Helmholtz Zentrum München beschäftigt rund 2.300 Mitarbeiter und ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, der 18 naturwissenschaftlich-technische und medizinisch-biologische Forschungszentren mit rund 37.000 Beschäftigten angehören. Das Institut für Computational Biology (ICB) führt datenbasierte Analysen biologischer Systeme durch. Durch die Entwicklung und Anwendung bioinformatischer Methoden werden Modelle zur Beschreibung molekularer Prozesse in biologischen Systemen erarbeitet. Ziel ist es, innovative Konzepte bereitzustellen, um das Verständnis und die Behandlung von Volkskrankheiten zu verbessern.  Freiheit und Eigenverantwortung, Unternehmergeist und Weltoffenheit: Die Werte der Schweiz sind das Fundament der ETH Zürich. Die Wurzeln unserer technisch-naturwissenschaftlichen Hochschule reichen zurück ins Jahr 1855, als die Gründer der modernen Schweiz diesen Ort der Innovation und des Wissens geschaffen haben. Studierende finden an der ETH Zürich ein Umfeld, das eigenständiges Denken fördert, Forschende ein Klima, das zu Spitzenleistungen inspiriert. Im Herzen Europas und weltweit vernetzt entwickelt die ETH Zürich Lösungen für die globalen Herausforderungen von heute und morgen. 500 Professorinnen und Professoren bilden rund 20‘000 Studierende – darunter 4000 Doktorierende – aus über 120 Ländern aus. Gemeinsam forschen sie in Natur- und Ingenieurwissenschaften, Architektur, Mathematik, systemorientierten Wissenschaften sowie in Management- und Sozialwissenschaften. Die Erkenntnisse und Innovationen der  ETH-Forschenden fliessen in die zukunftsträchtigsten Branchen der Schweizer Wirtschaft ein: von der Informatik über die Mikro- und Nanotechnologie bis hin zur Hightechmedizin. Die ETH meldet jährlich 90 Patente und 200 Erfindungen an. Seit 1996 sind aus der Hochschule 330 Spin-off-Firmen hervorgegangen. Auch in Wissenschaftskreisen geniesst die ETH einen hervorragenden Ruf: 21 Nobelpreisträger haben hier studiert, gelehrt oder geforscht, und in internationalen Rankings wird die ETH Zürich regelmässig als eine der weltweit besten Universitäten bewertet.