Wissenschaftler identifizieren ein Gen, das für die normale Entwicklung von Lunge und Gehirn entscheidend ist

Wissenschaftler identifizieren ein Gen, das für die normale Entwicklung von Lunge und Gehirn entscheidend ist

Die Entdeckung könnte zu neuen Möglichkeiten führen, beschädigtes Lungengewebe durch Stammzellen zu ersetzen

LA JOLLA, Kalifornien – Wissenschaftler am Salk Institute for Biological Studies haben ein Gen identifiziert, das Zellen anweist, mehrere Flimmerhärchen zu entwickeln, winzige haarähnliche Strukturen, die Flüssigkeiten durch die Lunge und das Gehirn transportieren. Der Befund könnte Wissenschaftlern dabei helfen, neue Therapien zu entwickeln, bei denen Stammzellen verwendet werden, um beschädigtes Gewebe in der Lunge und anderen Organen zu ersetzen.

„Zellen mit mehreren Zilien spielen eine Reihe wichtiger Rollen, unter anderem beim Transport von Flüssigkeiten durch die Atemwege, das Gehirn und das Rückenmark“, sagt er Christopher R. Kintner, ein Professor in Salk's Labor für Molekulare Neurobiologie, der die Forschung leitete. „Die Kenntnis des Gens, das Zellen anweist, mehrere Zilien zu entwickeln, hilft uns zu verstehen, wie wir Stammzellen dazu bringen können, sich zu diesem Zelltyp zu entwickeln, den wir dann zur Reparatur von beschädigtem Gewebe verwenden könnten.“

Die Salk-Forscher entdeckten das Master-Gen, das Zellen anweist, mehrere haarähnliche Flimmerhärchen zu entwickeln, wie sie in diesem Falschfarben-Elektronenmikroskopbild der Oberfläche eines Froschembryos in Rosa zu sehen sind.

Bild: Mit freundlicher Genehmigung des Salk Institute for Biological Studies; Chris Kintner, Molecular Neurobiology Laboratory, und Matthew Joens und James Fitzpatrick, Waitt Advanced Biophotonics Center

Die Ergebnisse der Forschung, die von den National Institutes of Health und dem Innovation Grants Program von Salk unterstützt wurde, wurden in der Online-Ausgabe vom 8. Januar veröffentlicht Naturzellbiologie.

Kintner und seine Mitarbeiterin Jennifer Stubbs, heute Wissenschaftlerin bei Pathway Genomics, einem Biotech-Unternehmen in San Diego, sowie Eszter Vladar, Postdoktorandin im Labor von Jeffery Axelrod an der Stanford University School of Medicine, machten ihre Entdeckung zunächst durch Studien die Embryonen afrikanischer Krallenfrösche (Xenopus laevis).

An der Außenseite der Embryonen bilden sich multizilienartige Zellen, was ihre Untersuchung erleichtert, und die genetischen Mechanismen, die die Froschzellen dazu veranlassen, mehrere Flimmerhärchen zu entwickeln, ähneln wahrscheinlich denen des Menschen.

Menschen und andere Organismen haben die Flimmerhärchen von unseren einzelligen Urvorfahren geerbt, die diese schlagenden Strukturen als Antriebsform nutzten. Die meisten Zellen in unserem Körper projizieren ein einzelnes, sich nicht bewegendes Cilium, das als winzige Antenne zur Erkennung chemischer und physikalischer Reize dient. Bestimmte Spezialgewebe erfordern jedoch Zellen mit 100 bis 200 beweglichen Flimmerhärchen, die gemeinsam schlagen, um Flüssigkeiten durch den Körper zu transportieren.

Diese Zellen helfen dabei, die Liquor cerebrospinalis durch das Gehirn und das Rückenmark zu transportieren und helfen so, diese Flüssigkeit zu zirkulieren und wieder aufzufüllen. Im Atmungssystem drücken die Flimmerhärchen Schleim, der Staub, Krankheitserreger und andere Fremdkörper einfängt, aus der Lunge in die Luftröhre und helfen so, Infektionen vorzubeugen.

In einer früheren Studie, veröffentlicht in Nature GeneticsKintner und Stubbs identifizierten ein Protein, FoxJ1, das die Bildung eines einzelnen beweglichen Ciliums förderte. Unklar blieb, wie bestimmte Zellen FoxJ1 auf eine Weise aktivieren, die zur Bildung von Hunderten beweglicher Flimmerhärchen pro Zelle führt.

In ihrer neuen Studie identifizierten Kintner und seine Mitarbeiter ein Gen, das ein zweites Protein produziert, das sie „Multicilin“ nannten und das Zellen anweist, mehrere Zilien zu entwickeln. Wenn Zellen Multicilin ausgesetzt werden, werden ihre genetischen Mechanismen zur Entwicklung mehrerer Zilien aktiviert. In einem sich entwickelnden Embryo weist das Protein bestimmte Stammzellen, die die Lunge, die Niere und die Haut auskleiden, an, sich zu vielzelligen Zellen zu entwickeln.

Als die Forscher die Wirkung von Multicilin hemmten, bildeten Haut und Niere der Frösche keine Multicilienzellen. Die Wissenschaftler fanden außerdem heraus, dass Multicilin sowohl notwendig als auch ausreichend ist, um die Entwicklung mehrerer Flimmerhärchen in Zellen zu steuern, die die Atemwege von Mäusen auskleiden.

„Das bedeutet, dass Multicilin die Entwicklung dieser Zellen in verschiedenen Organen steuert“, sagt Kintner. „Wie sich multiziliate Zellen entwickeln, war bisher ein Rätsel, aber dies füllt einen großen Teil des Puzzles.“

Kintner weist darauf hin, dass Patienten mit Atemwegserkrankungen wie chronischem Asthma, Emphysem und Mukoviszidose häufig an Lungeninfektionen leiden, die auf eine Schädigung der Flimmerzellen zurückzuführen sein können, die schützenden Schleim aus den Atemwegen befördern. In Zukunft könnten Stammzelltherapien diese geschädigten Zellen durch neue Flimmerzellen ersetzen, aber zunächst müssen Wissenschaftler wissen, wie sie Stammzellen auf dem Weg zu Vielzilienzellen leiten können.

„Unsere Ergebnisse legen nahe, dass Multicilin eine zentrale Rolle bei der Differenzierung von Stammzellen in Ersatzzellen spielen könnte“, sagt Kintner. „Es ist ein notwendiger Schritt bei der Entwicklung solcher Therapien.“

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Paul Roben
Direktor Geschäftsentwicklung
Salk Institut für biologische Studien
10010 Nördliche Torrey Pines Road
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Über das Salk Institute for Biological Studies:
Das Salk Institute for Biological Studies ist eine der weltweit herausragenden Grundlagenforschungseinrichtungen, in der international renommierte Dozenten in einem einzigartigen, kollaborativen und kreativen Umfeld grundlegende Fragen der Biowissenschaften untersuchen. Salk-Wissenschaftler konzentrieren sich sowohl auf Entdeckungen als auch auf die Betreuung zukünftiger Forschergenerationen und leisten bahnbrechende Beiträge zu unserem Verständnis von Krebs, Alterung, Alzheimer, Diabetes und Infektionskrankheiten, indem sie Neurowissenschaften, Genetik, Zell- und Pflanzenbiologie und verwandte Disziplinen studieren.

Die Leistungen der Fakultät wurden mit zahlreichen Ehrungen gewürdigt, darunter Nobelpreise und Mitgliedschaften in der National Academy of Sciences. Das 1960 vom Polioimpfpionier Jonas Salk, MD, gegründete Institut ist eine unabhängige gemeinnützige Organisation und ein architektonisches Wahrzeichen.