Ein "molekularer Kompass" für die richtige Gehirnentwicklung

14/11/2016

Forscher am Institut für Molekulare Biotechnologie(IMBA) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften entdeckten einen wichtigen molekularen Mechanismus, der durch richtige Ausrichtung des Spindelapparates bei der Zellteilung die Funktion und Spezialisierung von Gehirnzellen mitbestimmt und Fehlbildungen wie Mikrozephalie verhindert.

Bild: Grafik eines Kinderkopfes, das Gehirn wird durch Puzzleteile symbolisiert; Copyright: panthermedia.net/crystaleyemedia

Die Zellteilung ist ein wichtiges Puzzlestück bei der Entwicklung des Gehirns - und aller anderen Organe; ©panthermedia.net/crystaleyemedia

Unser Gehirn ist eines der erstaunlichsten Ergebnisse der Evolution. Dank 100 Milliarden Neuronen, die durch verschiedene Schaltkreise miteinander verwoben sind, lässt es uns kognitive Höchstleistungen vollbringen. Das Hochleistungsrechenzentrum unseres Körpers entsteht aus nur wenigen Stammzellen. Die Art der Zellteilung bestimmt über das weitere Zellschicksal im wachsenden Gehirn. Die "kommunikativen" Neuronen, tauschen untereinander Informationen aus, unterstützt werden sie dabei von den Gliazellen.

Bei der Zellteilung zieht der sogenannte Spindelapparat die beiden Chromosomenhälften auseinander. Die Ausrichtung der Spindel bestimmt bei der Zellteilung, ob aus einer Nerven-Stammzelle eine weitere Nerven-Stammzelle wird, oder ob sie zu einer Nervenzelle oder einer Gliazelle heranwachsen wird.
Die Forschungsgruppen am IMBA rund um Daniel Gerlich und IMBA Vizedirektor Jürgen Knoblich entdeckten nun einen Mechanismus, der dem Spindelapparat die richtige Richtung anzeigt. Eine Gruppe von kleinen RNA-Molekülen – namens miR-34/449 – wirkt als Orientierungshilfe bei der Zellteilung.  Forschungsgruppenleiter Gerlich erklärt: "Wir wollten herausfinden, wie der Spindelapparat in die richtige Position gebracht wird. Man weiß, dass es zu schweren neurologischen Erkrankungen oder zu Störungen in der Gehirnentwicklung kommt, wenn sich die Zellen im Gehirn nicht ordnungsgemäß teilen. Ein konkretes Bespiel dazu wäre zum Beispiel die Mikrozephalie, bei der es zu einem viel zu kleinen Gehirn und in Folge geistiger Beeinträchtigung kommt. Wie Proteine die Ausrichtung des Spindelapparates regulieren war zuvor untersucht worden, aber wie RNA Moleküle an der Regulation beteiligt sind, war bisher nicht bekannt."

Um diese Mechanismen zu untersuchen, beobachteten die Forscher Nerven-Stammzellen bei der Teilung.
"Wir markierten den Spindelapparat zunächst in lebenden Zellkulturen und konnten feststellen, dass kleine RNAs namens miR-34/449 – eine Gruppe von Molekülen, die wichtig für die Genregulation sind – den Spindelapparat während der Teilung beeinflussten“, spricht der Erstautor Juan Fededa über seine Ergebnisse, die im aktuellen EMBO Journal veröffentlicht wurden. "Wurde miR-34/449 blockiert, dann setzte der Spindelapparat bei der Teilung nicht an der richtigen Stelle an."

Die Forscher konnten denselben Prozess im Mausmodel beobachten – auch hier kam es bei Blockierung von miR-34/449 zu Gehirnfehlbildungen im Mäuseembryo. Aus den Gehirnstammzellen bildeten sich wieder Stammzellen aus, sogenannte radiale Gliazellen, die sich selbst zwar weiter teilen, aber sich nicht weiter in Nerven- oder Gliazellen spezialisieren können.

"Die Zellteilung wird von einer Vielzahl molekularer Mechanismen mitgesteuert, die wichtig für die gesunde Entwicklung von Organen sind. Um dies noch genauer zu untersuchen, könnten wir auch auf eine 'hauseigene' Methode zurückgreifen, denn am IMBA ist es Jürgen Knoblichs Gruppe bereits 2013 gelungen, kleine Gehirnmodelle, sogenannte Organoide, aus künstlich hergestellten Stammzellen wachsen zu lassen. Diese Modelle eignen sich besonders gut, um molekulare Mechanismen zu erforschen, die zu Entstehungen von Krankheiten im Gehirn führen können," zeigt sich Gerlich optimistisch über zukünftige Projekte.

MEDICA.de; Quelle: IMBA - Institut für Molekulare Biotechnologie der Österreichischen Akademie der Wissenschaften GmbH
Mehr über IMBA unter: www.imba.oeaw.ac.at