Stammzellregulation in einem marinen Annelid

Während Säugetiere wie der Mensch nur über begrenzte Fähigkeiten verfügen, beschädigte oder verlorene Organe zu regenerieren, besitzen viele wirbellose Tiere eine phänomenale Regenerationsfähigkeit, die sogar das zentrale Nervensystem einschließt. Einiges spricht dafür, dass besondere Zellen für diese Regenerationsfähigkeit mitverantwortlich sind, die von ihrem molekularen Fingerabdruck den Keimbahnzellen der Tiere ähneln, und von denen man daher annimmt, dass es sich um multipotente Stammzellen handelt. Ob diese Zellen aber wirklich Stammzelleigenschaften haben, konnte bislang nur für sehr wenige Tiere experimentell untersucht werden. Der Meeresringelwurm Platynereis ist für Studien der Regeneration und der Rolle von Stammzellen außerordentlich interessant. Wenn der Wurm verletzt wird, kann er sein Hinterende inklusive des Zentralnervensystems problemlos regenerieren. Eine der an diesem Projekt beteiligten Arbeitsgruppen konnte zudem zeigen, dass an der Regeneration markante Zellen beteiligt sind, die genau dem erwähnten molekularen Fingerabdruck entsprechen, der für multipotente Stammzellen charakteristisch ist. Zusätzlich steht die Regenerationsfähigkeit des Meeresringelwurmes aber auch noch unter strikter hormoneller Kontrolle: Ein bislang unbekanntes Gehirnhormon ist für die Beibehaltung dieser enormen Regenerationsfähigkeiten vonnöten. Dieses Merkmal macht den Wurm außerordentlich interessant, da es die Möglichkeit nahelegt, dass die an der Regeneration beteiligten Prozesse und insbesondere multipotente Stammzellen hormonell gesteuert werden können. Dank ausführlicher, komplementärer Vorarbeiten beider an diesem Projekt beteiligten Gruppen wird es ihnen in dem gemeinsamen Projekt möglich sein, mit modernsten molekularen und mikroskopischen Methoden zwei zentrale Fragen zu beantworten, die für die Erforschung der Regeneration des Meeresringelwurms von grundlegender Bedeutung sind: a) Handelt es sich bei den markanten Zellen wirklich um Stammzellen, d.h. sind diese Zellen zur Selbsterneuerung fähig und tragen gleichzeitig direkt zum nachwachsenden Gewebe bei? b) Wirkt das Gehirnhormon für den eine der beiden Arbeitsgruppen inzwischen ein aktives Molekül identifiziert hat auf die molekularen Eigenschaften dieser Zellen, sowie ihre Fähigkeit, sich zu teilen und zum nachwachsenden Gewebe beizutragen? Die Antworten auf diese Fragen werden es dem internationalen Team ermöglichen, entscheidende Einsichten in die hormonelle Steuerung der Regeneration zu gewinnen, und zugleich einen spannenden Modellorganismus für funktionale Stammzellstudien zu erschließen.

Das Internationale Forschungsprojekt "Stammzellregulation in einem Meeresringelwurm" hat neue Einblicke in den hormonellen Einfluss des Gehirns auf die regenerativen Fähigkeiten von Tieren erlaubt. Stammzellen spielen eine wesentliche Rolle in der normalen Entwicklung wie auch in Krankheitszuständen. In manchen Tieren erlauben Stammzellen auch, dass sich nach der regulären Entwicklung bestimmte Gewebe nachbilden können. Wieso manche Spezies eine ausgeprägtere Regenerationsfähigkeit besitzen als andere, ist allerdings bislang nur unzulänglich verstanden. Als ein interessanter Ansatz bietet sich hier die Erforschung der in die Regeneration involvierten Stammzellen an, da deren Regulation Aufschluss über mögliche regulatorische Prozesse geben könnte. In diesem internationalen Forschungsprojekt wurde die Rolle von hormonellen Signalen auf Stammzellen untersucht, die in regeneratives Wachstum involviert sind. Das Projekt nutzte dabei aus, dass in bestimmten Meeresringelwürmern die Regenerationsfähigkeit durch Gehirn-abhängige Hormone stark beeinflusst ist. Dieser Zusammenhang ermöglichte es dem Team, genauer zu untersuchen, welche molekulare Identität regenerative Stammzellen haben, und wie sich diese Identität nach Verlust des regenerativen Hormonsignals ändert. Dank der internationalen Zusammenarbeit konnte das Wissenschaftler-Team diese Fragen mit verschiedenen methodologischen Ansätzen untersuchen: Einerseits kamen gezielte Studien zu bekannten molekularen "Marker-Genen" und Messungen der Zellteilungsdynamik zum Einsatz. Andererseits etablierte das Team auch eine Methode, um regeneratives Gewebe in Einzelzellen aufzutrennen, und dann diese Tausende dieser Einzelzellen mit Hilfe einer molekularen Profilierung (single-cell sequencing) zu charakterisieren. Schließlich nutzte das Team auch Techniken, um stabile Farbstoffe in Gewebe der Tiere einzubringen, mit deren Hilfe sich Rückschlüsse ziehen ließen, aus welchen Geweben die Zellen hervorgehen, die das nachwachsende Gewebe bilden. Das Forschungsprojekt hat zu einer Reihe wissenschaftlicher Veröffentlichungen beigetragen. Zudem erlaubte die Forschungsarbeit such die Entwicklung eines neuen Verfahrens ("DEEP-Clear"), mit dem Zellen, zelluläre Marker oder auch komplette Nervensysteme in ganzen Tieren sichtbar gemacht werden können. Sowohl die wissenschaftlichen Einsichten wie auch die technologischen Neuerungen, die das Projekt ermöglicht hat, bereiten den Boden für künftige Analysen tierischer Stammzellsysteme sowie ihrer Regulation.