Neue Erkenntnisse zur Entwicklung unterschiedlicher Zelltypen im Zentralen Nervensystem
Wissenschaftler der Johannes Gutenberg-Universität Mainz haben ein neues Prinzip entdeckt, das zur Entwicklung unterschiedlicher Zelltypen im Zentralen Nervensystem führt. Die Arbeiten wurden jetzt in der renommierten Fachzeitschrift Nature Cell biology publiziert.
Das Zentrale Nervensystem (ZNS) besteht aus einer erstaunlichen Vielfalt unterschiedlicher Zelltypen, die entsprechend der Funktion des jeweiligen ZNS-Abschnittes, den verschiedenen Segmenten des Gehirns und des Rückenmarks, in spezifischer Weise räumlich angeordnet und verknüpft sein müssen. Die Mechanismen, die die Entstehung dieser Zelldiversität und ihres räumlichen Musters kontrollieren, sind noch weitgehend unverstanden. In Zusammenarbeit mit indischen Kollegen haben Forscher am Institut für Genetik der Universität Mainz am Tiermodell der Taufliege Drosophila melanogaster die embryonale Entwicklung neuraler Stammzellen untersucht. Sie konnten erstmals zeigen, dass die Ausprägung regionaler Unterschiede im Bereich von Thorax bzw. Abdomen auf einem direkten Zusammenspiel von Faktoren beruht, welche die Identität der Körpersegmente festlegen (homeotische Proteine), und einem Faktor (Cyclin E), der eine Schlüsselrolle bei der Kontrolle von Zellteilungen spielt.
Die Identifizierung und funktionelle Charakterisierung von Entwicklungsgenen ist an der Fliege Drosophila, die eine über 100-jährige Tradition als genetisches Modellsystem besitzt, sehr effizient durchführbar. Diese Arbeiten liefern oftmals die Grundlage, um die Funktion von entsprechenden Genen bei höheren Organismen, einschließlich des Menschen, zu klären. Einige der neuralen Stammzellen (Neuroblasten) des Drosophila-Embryos bilden segmentspezifische Zellstammbäume. So produziert z.B. der Neuroblast NB6-4a in den abdominalen Segmenten nur Gliazellen, während der entsprechende Neuroblast NB6-4t in den thorakalen Segmenten neben den Gliazellen auch Neurone hervorbringt. In der jetzt in Nature Cell Biology erschienen Arbeit haben die Wissenschaftler des Instituts für Genetik und ihre indische Kollegen nachgewiesen, dass das Protein Cyclin E notwendig und ausreichend ist, die thorakale Identität des Neuroblasten NB6-4t (sowie auch anderer Stammzellen) festzulegen. Verlust der Funktion von Cyclin E führt zu einer Umwandlung des thorakalen in das abdominale Zellschicksal bzw. bei Überexpression von Cyclin E zu einer Umwandlung in umgekehrter Richtung. Diese neu entdeckte Funktion von Cyclin E bei der Festlegung von Zellschicksalen scheint unabhängig von seiner bekannten Funktion bei der Kontrolle des Zellzyklus zu sein.
Dagegen wird Cyclin E in den abdominalen Neuroblasten NB6-4a nicht benötigt. In den abdominalen Segmenten wird die Expression von Cyclin E durch homeotische Gene des Bithorax-Komplexes unterdrückt. Damit konnten die Forscher erstmalig nachweisen, dass die regionale Diversifizierung von Zelltypen im ZNS durch homeotische Gene über die Regulation von Cyclin E vermittelt wird. Dabei könnte es sich um einen generellen Entwicklungsmechanismus handeln, der auch in anderen Organismen verwirklicht ist.
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