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Fellows der FRIAS School of Life Sciences entschlüsseln die Steuerung embryonaler Stammzellnetzwerke

Ein Team aus Freiburger Systembiologen um die beiden FRIAS-Fellows Prof. Wolfgang Driever und Prof. Jens Timmer sowie Dr. Daria Onichtchouk aus der Biologischen Fakultät der Universität Freiburg haben wichtige Eigenschaften embryonaler Stammzellnetzwerke aufgeklärt und konnten dadurch zeigen, wie die Entwicklung embryonaler Stammzellen reguliert wird. Ihre Ergebnisse wurden gerade in der führenden Fachzeitschrift Molecular Systems Biology veröffentlicht.

Von Stammzellen verspricht man sich in der Biomedizin sehr viel. Sie besitzen nach Einschätzung vieler Experten das Potential, eine der wesentlichen Therapiekomponenten bei der Heilung von Degenerationserkrankungen der alternden Bevölkerung zu werden. Gerade die Durchbrüche, die in den letzten Jahren in der Herstellung von sogenannten "induzierten pluripotenten Stammzellen" (iPS Zellen) erzielt werden konnten, nähren die Hoffnung, dieses medizinische Potential auch tatsächlich nutzen zu können. Allerdings bergen die vielfältigen Entwicklungsmöglichkeiten dieser pluripotenten Stammzellen auch Gefahren: Wie kann sichergestellt werden, dass aus Stammzellen stabile Zellen des gewünschten Typs werden und dass sie sich nicht zu Tumoren entwickeln? Um derartige Risiken auszuschließen, versucht man die Regulationsschritte, die die natürliche Differenzierung von Stammzellen im Embryo steuern, besser zu verstehen. Bisher war bekannt, dass komplexe Netzwerke aus Transkriptionsfaktoren und Signalen diese Differenzierung lenken; wie das geschieht, war jedoch unklar. Genau dieses Regulationsnetzwerk wurde nun von den Freiburger Systembiologen untersucht und in wichtigen Aspekten aufgeklärt.

Einer der wichtigsten Stammzellfaktoren ist dabei Oct4/Pou5f1. Allerdings wusste man nur wenig über Struktur und Funktion des Transkriptionsfaktornetzwerkes, das von Pou5f1/Oct4 gesteuert wird. Dieses Netzwerk kann die Pluripotenz einer Stammzelle aufrechterhalten, also ihre Fähigkeit sich in jeden im Organismus vorkommenden Zelltyp zu entwickeln. Gleichzeitig ermöglicht das Netzwerk die Zuordnung embryonaler Zellen in die verschiedenen Hauptzelllinien. Untersucht haben die Freiburger Wissenschaftler diese Zusammenhänge im Zebrafisch, einem vielfach bewährten Modellorganismus. Sie kombinierten in ihrem systembiologischen Ansatz Embryologie, Transkriptom-Analytik, Bioinformatik und mathematische Modellierung und konnten damit sehr erfolgreich das Verständnis grundsätzlicher Regulationsmechanismen der frühen embryonalen Transkriptionsnetzwerke erweitern.

Von entscheidender Bedeutung für das tiefergehende Regulationsverständnis waren detaillierte zeitaufgelöste Untersuchungen. Sie ermöglichten es den Wissenschaftlern, über 90 Gene zu definieren, die bedeutsam für diese Regulationsnetzwerke sind und die in der Evolution vom Fisch zum Säuger konserviert wurden. Sie konnten mehrere Regulationsknotenpunkte identifizieren, die Schlüsselstellungen in der Differenzierungskontrolle ausüben, und durch dynamische mathematische Modellierungen Einblicke in die molekularen Mechanismen der zeitlichen Steuerung der Entwicklung gewinnen. Außerdem lassen sich aus den Untersuchungen auch Aussagen über die Struktur, Funktion und Evolution des Stammzellnetzwerkes sowie neue Paradigmen für die kontrollierte Differenzierung von Stammzellen ableiten. Aus diesen, so die berechtigte Hoffnung, könnten sich rationale und effiziente Stammzelldifferenzierungsprotokolle ableiten lassen, die in der regenerativen Medizin von großem Nutzen seinen könnten.

Neben Prof. Wolfgang Driever, Dr. Daria Onichtchouk und Prof. Jens Timmer sind auch Dr. Florian Geier, Dr. Bozena Polock, Dr. Björn Wendik, Sungmin Song und Rebecca Mössner von der Universität Freiburg sowie Dr. Verdon Taylor und Dr. Daniel Messerschmidt vom MPI Freiburg an der Studie beteiligt. Die Forschung erfolgte in enger Zusammenarbeit am Zentrum für Biosystemanalyse ZBSA der Universität.

Onichtchouk D, Geier F, Polok B, Messerschmidt DM, Mössner R, Wendik B, Song S, Taylor V, Timmer J, and Driever W. (2010) Zebrafish Pou5f1-dependent transcriptional networks in temporal control of early development. Molecular Systems Biology, doi: 10:1038/msb.2010.9
(Molecular Systems Biology ist eine gemeinsame online Zeitschrift von Nature und EMBO; Impact Factor 2008 ist 12.24)

03/2010