12. Oktober 2009
LA JOLLA, CA – Die Großhirnrinde, der größte und komplexeste Teil des Gehirns, ist einzigartig bei Säugetieren und hat als einzige menschliche Spezialisierungen entwickelt. Obwohl zunächst alle Stammzellen, die für den Aufbau der Großhirnrinde – der äußersten Schicht von Neuronen, die gemeinhin als graue Substanz bezeichnet wird – verantwortlich sind, gleich geschaffen sind, verpflichten sie sich bald unwiderruflich zur Bildung bestimmter kortikaler Regionen. Doch wie das Schicksal der Stammzellen bestimmt wird, bleibt eine offene Frage.
In der Online-Vorabausgabe vom 11. Oktober von Nature NeuroscienceWissenschaftler des Salk Institute for Biological Studies berichten, dass sie den ersten genetischen Mechanismus identifiziert haben, der die regionale Identität von Vorläufern bestimmt, die mit der Bildung der Großhirnrinde beauftragt sind. Ihre Entdeckung enthüllt eine kritische Phase, in der ein LIM-Homöodomänen-Transkriptionsfaktor namens Lhx2 über das regionale Schicksal der Vorfahren entscheidet: Sobald sich das Zeitfenster schließt, ist ihr Schicksal besiegelt.
Im Gehirn normaler Mäuse befindet sich der sechsschichtige Neokortex – gekennzeichnet durch die rote Markierung und in der oberen rechten Ecke dargestellt – neben dem dreischichtigen olfaktorischen Kortex – gekennzeichnet durch die hellgrüne Markierung, der auch Schicht 5 von markiert der Neokortex. Fehlt Lhx2 in einer kritischen Phase, wandelt sich der Neocortex in einen olfaktorischen Cortex um.
Bild: Mit freundlicher Genehmigung von Dr. Shen-Ju Chou, Salk Institute for Biological Studies
„Diese Ergebnisse liefern eine Grundlage für das Verständnis des wichtigen Prozesses der Entwicklung der verschiedenen Regionen der Großhirnrinde und der Bestimmung ihrer einzigartigen Eigenschaften“, sagt er Dennis O'Leary, Ph.D., Professor am Labor für Molekulare Neurobiologie, der die Studie leitete.
Dieses Wissen wird möglicherweise auch zum Verständnis der genetischen Grundlagen vieler neurodegenerativer Erkrankungen beitragen und die Möglichkeit bieten, Stammzellen eindeutig zu spezifizieren, um bestimmte Teile des Gehirns zu reparieren, die durch Krankheiten oder Verletzungen geschädigt wurden.
Während der embryonalen Gehirnentwicklung durchlaufen die Stammzellen, aus denen die Großhirnrinde entstehen wird, eine Reihe streng regulierter Stadien: von allmächtigen Stammzellen zu kortikalen Vorläuferzellen, die schließlich funktionell spezialisierte Regionen wie den sechsschichtigen Neocortex bilden größter und evolutionär jüngster Teil der Großhirnrinde und unter anderem die ältere dreischichtige Riechrinde.
Zu Beginn der Neurogenese durchlaufen stammzellähnliche Vorläuferzellen, sogenannte Neuroepithelzellen, eine symmetrische Zellteilung, um den Pool an Neuroepithelzellen zu erweitern. Später differenzieren sie sich in reifere Vorläuferzellen, die sogenannten radialen Gliazellen, die sich asymmetrisch teilen, um einen konstanten Strom sowohl von Vorläuferzellen als auch von Neuronen zu produzieren, wobei letztere nach außen wandern, um die graue Substanz spezialisierter kortikaler Regionen zu bilden.
In einer Anfang dieses Jahres veröffentlichten Studie haben O'Leary und Setsuko Sahara, Ph.D., eine leitende wissenschaftliche Mitarbeiterin im O'Leary-Labor, herausgefunden, dass der Wachstumsfaktor Fgf10 den Zeitpunkt der kritischen Übergangsperiode steuert, die die frühe Expansion überbrückt Phase der Neuroepithelzellen und die spätere neurogene Phase der radialen Gliazellen. Nun wollten die Salk-Forscher wissen, wann und wie diese Zellen ihre zukünftige regionale Identität erlangen.
Das vorherrschende Modell zur Bestimmung genetischer Mechanismen, die die Produktion verschiedener Neuronentypen bestimmen, war das Rückenmark. „Im Rückenmark werden unterschiedliche Subpopulationen von Vorläufern, die unterschiedliche Klassen von Neuronen erzeugen, durch einzigartige Sätze von Transkriptionsfaktoren definiert und durch scharfe räumliche Grenzen getrennt“, erklärt O'Leary. „Aber in der Großhirnrinde ist die Situation ganz anders. Es gibt keine von uns oder irgendjemand anderem identifizierten Gene, die separate Subpopulationen von Vorläufern definieren, die Neuronen erzeugen, die die verschiedenen Regionen der Großhirnrinde bilden. Daher muss ein anderer Mechanismus funktionieren.“
Das bestimmende Merkmal von Vorläuferzellen, die später die Großhirnrinde bilden, ist die Expression von Emx1, einem Homöodomänen-Transkriptionsfaktor. O'Leary schlug vor, dass die regionale Identität von Vorläufern in der Emx1-Linie eine abgestufte Expression eines oder mehrerer Transkriptionsfaktoren beinhalten könnte, die über Unterschiede in ihren Expressionsniveaus einzigartige Subpopulationen von Vorläufern definieren. Der vielversprechendste Kandidat war Lhx2, das in allen Vorläufern der Emx1-Linie exprimiert wird, jedoch in einem abgestuften Muster auf unterschiedlichen Ebenen. Um diese Hypothese zu testen, musste Shen-ju Chou, Ph.D., ein leitender wissenschaftlicher Mitarbeiter im O'Leary-Labor und Erstautor dieser Studie, eine neuartige gentechnisch veränderte Maus entwickeln, um Lhx2 auf bedingte Weise zu löschen.
Shen-ju und zwei weitere Mitglieder von O'Learys Forschungsteam, Carlos G. Perez Garcia, Ph.D. und Todd T. Kroll, Ph.D., verwendeten dann diese Mauslinie, um Lhx2 zu verschiedenen Zeitpunkten während der Embryonalentwicklung zu löschen, um zu beurteilen, ob Lhx2 Einfluss auf das Schicksal der Vorfahren bei der Produktion von Regionen der Großhirnrinde hatte.
Als die Forscher Lhx2 aus neuroepithelialen Zellen entfernten, bevor diese in radiale Gliazellen übergingen, verwandelte sich der Neocortex in einen großen, fehl am Platz befindlichen olfaktorischen Cortex. Aber als sie Lhx2 nur einen Tag später löschten, fand die Transformation nicht statt, was darauf hindeutet, dass die regionale Identität der Vorfahren festgelegt war.
„Diese Experimente zeigen, dass Lhx2 die regionale Schicksalsentscheidung von Vorfahren der Emx1-Linie reguliert, um Neocortex oder olfaktorischen Cortex zu erzeugen“, sagt Chou. „Lhx2 muss während eines kritischen Zeitfensters in angemessenen Mengen vorhanden sein, damit die Vorläufer die richtige Entscheidung über ihr Schicksal treffen können. O'Leary fügt hinzu: „Dieser Befund passt gut zu unserer vorherigen Studie zu Fgf10, da er zeigt, dass sich das kritische Zeitfenster für die regionale Schicksalsentscheidung, die durch Lhx2 bestimmt wird, schließt, sobald neuroepitheliale Zellen den Übergang zu radialer Glia vollzogen haben, ein Schritt, der durch Fgf10 reguliert wird.“
O'Learys Team plant, diese Arbeit zu erweitern, um den Wirkungsmechanismus von Lhx2 zu bestimmen und herauszufinden, ob die Modulation der Lhx2-Spiegel die Differenzierung embryonaler Stammzellen (ES) oder induzierter pluripotenter Stammzellen (iPS) steuern oder einschränken kann. Diese Arbeit wird für die Entwicklung von Strategien zur Gehirnreparatur wichtig sein.
Diese Arbeit wurde durch Zuschüsse der National Institutes of Health unterstützt.
Über das Salk Institute for Biological Studies
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