Die Zellteilung, ein fundamentaler Prozess des Lebens, ist noch nicht vollständig verstanden. Das Dogma der Zytologie, formuliert von Rudolf Virchow, besagt: »Jede Zelle stammt aus einer Zelle.« Die Forschung konzentriert sich darauf, die Mechanismen der Zellteilung im Gehirn zu entschlüsseln, insbesondere im Hinblick auf Stammzellen und die Entstehung von Nervenzellen.
Phasen der Zellteilung
Zellbiologen unterscheiden verschiedene Phasen der Zellteilung:
- Interphase: Die DNA des Zellkerns wird verdoppelt.
- Mitose: Der Zellkern teilt sich.
- Cytokinese: Die Zellbestandteile werden auf die Tochterzellen aufgeteilt. Bei tierischen Zellen bildet sich ein kontraktiler Ring am Zelläquator, der die Zelle abschnürt.
Zellteilung in dotterreichen Zellen
Bei der Embryonalentwicklung von Wirbeltieren sind dotterreiche Zellen oft zu groß für eine vollständige Abschnürung durch den kontraktilen Ring. Eine Forschungsgruppe der Technischen Universität Dresden unter der Leitung von Jan Brugués untersuchte, wie die Zellteilung in Embryonen von Zebrabärblingen (Danio rerio) funktioniert.
Die Ergebnisse zeigten, dass sich das Zellplasma der embryonalen Fischzellen in der Interphase verfestigt, wodurch die Ringstruktur verankert wird. Während der Mitose wird das Plasma wieder flüssiger, was das Einschnüren erleichtert. Die Verflüssigung destabilisiert den Ring zunächst, wird aber durch die rasch folgende Teilung mit erneuter Versteifung fixiert.
Stammzellenforschung und Neurogenese
Lange Zeit ging die Neurowissenschaft davon aus, dass sich Nervenzellen nur während der embryonalen Entwicklung bilden. Heute weiß man jedoch, dass Stammzellen im menschlichen Gehirn über die gesamte Lebensspanne neue Nervenzellen generieren können.
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Beobachtung der Stammzellteilung im Hippocampus
Eine Studie des Labors von Sebastian Jessberger an der Universität Zürich konnte erstmals die Teilung von Stammzellen und die Neubildung von Nervenzellen direkt im Hippocampus von erwachsenen Mäusen beobachten. Durch moderne Mikroskopie und genetische Markierung von Stammzellen konnten die Forschenden die Teilung und Ausreifung von Nervenzellen über Monate hinweg verfolgen.
Die Studie zeigte, dass sich die meisten Stammzellen nur wenige Male teilen, bevor sie sich in Nervenzellen differenzieren. Die interdisziplinäre Zusammenarbeit mit Experten in Bildgebung und theoretischer Stammzellmodellierung ermöglichte die Datenerhebung und -interpretation.
Bedeutung für die Stammzellenforschung
Die Studie beantwortet seit langem bestehende Fragen in der Stammzellenforschung und betont, dass dies erst der Beginn weiterer Experimente ist, um die Neubildung von Nervenzellen in all ihren Details zu verstehen.
Neuroprotektion durch RAS-Aktivierung
Nervenzellen des erwachsenen Gehirns teilen sich nicht mehr und gehen bei Erkrankungen wie Alzheimer oder Parkinson zugrunde. Bochumer Forschende haben einen neuen Ansatz zur Rettung dieser Zellen entwickelt.
Die Rolle des RAS-Proteins
Das Protein RAS löst wichtige Signalwege in eukaryotischen Zellen aus. Bei Fehlregulation durch Mutation wird RAS dauerhaft aktiviert und wirkt als Onkogen, das an der Entstehung von Tumorarten beteiligt ist.
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Im erwachsenen Gehirn kann RAS-Aktivierung keine Zellteilung mehr verursachen. Das Forschungsteam um Dr. Sebastian Neumann, Dr. Konstantin Kuteykin-Teplyakov und Prof. Dr. Rolf Heumann hat jedoch nachgewiesen, dass die krankhafte Degeneration von Nervenzellen im Gehirn durch dauerhafte Aktivierung des RAS-Proteins verhindert werden kann.
Mechanismus der Neuroprotektion
In einer RAS-Maus, die selektiv in Nervenzellen des Gehirns ein dauerhaft aktiviertes RAS-Protein besitzt, wurde eine Herabregulierung eines Membrankanals festgestellt. Die Reduzierung wird über den MAPK-Signalweg vermittelt. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Kanal in der äußeren Zellmembran ein Ziel für die Optimierung neuroprotektiver Anwendungen sein könnte.
Einfluss der Gehirnflüssigkeit auf Stammzellen
Eine aktuelle Arbeit des Teams um Professor Magdalena Götz zeigt, dass der Fluss der Gehirnflüssigkeit zur Erneuerung von Stammzellen führen kann. Neuronale Stammzellen im Gehirn können sich teilen und zu Nervenzellen weiterentwickeln. Diese Zellen befinden sich in der Stammzellnische an den seitlichen Wänden der Seitenventrikel und werden von der zirkulierenden Zerebrospinalflüssigkeit umspült.
Die Rolle des ENaC-Kanals
Die Forscher fanden heraus, dass die physikalischen Kräfte der Flüssigkeit die Stammzellen beeinflussen. Das Molekül ENaC (epithelialer Natriumkanal) spielt dabei eine zentrale Rolle. Im Versuchsmodell konnten sich die Stammzellen nicht mehr teilen, wenn ihnen ENaC fehlte. Eine stärkere ENaC-Funktion fördert die Teilung der Zellen, zum Beispiel durch Erhöhung der Flüssigkeitsströmung.
Die Funktion von ENaC wird durch Scherkräfte gesteigert, die durch das Hirnwasser auf die Zellen ausgeübt werden. Die mechanische Reizung führt zu einer verstärkten und längeren Öffnung des Kanalproteins und erlaubt den Einstrom von Natriumionen in die Zelle, was die Teilung anregt.
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Stammzellen als Quelle der Jugend im Gehirn
Stammzellen im Gehirn sorgen für lebenslangen Nachschub an Neuronen und halten das Alter in Schach. Durch Mitose bilden sie sowohl neue Nervenzellen als auch weitere Stammzellen. Voraussetzung dafür ist, dass sie möglichst wenig altern.
Verjüngungskur durch Zellteilung
Wissenschaftler haben entdeckt, dass sich zellulärer Müll (beschädigte Proteine) während der Zellteilung ungleichmäßig verteilt. Eine unsichtbare Diffusionsbarriere hält die beschädigten Proteine davon ab, sich gleichmäßig zwischen den beiden Töchtern zu verteilen. Alle Erblasten landen in einer Zelle, die oft zu einem Neuron reift, während die "saubere" Zelle als Stammzelle weiterlebt.
Bei älteren Gehirnen funktioniert dieser Mechanismus nicht mehr so gut, und der zelluläre Müll wird gleichmäßiger zwischen den Zellen verteilt. Es gibt Hinweise darauf, dass Stammzellen auch in anderen Organen Diffusionsbarrieren nutzen, um Altlasten loszuwerden.
Entwicklung des Gehirns im Embryo
Aus einer einzigen befruchteten Eizelle entwickelt sich das komplexe menschliche Gehirn. Im Embryo treffen die Zellen Schicksalsentscheidungen und begeben sich auf unterschiedliche Pfade.
Neurulation und Neuralrohr
Nervenzellen entstehen aus dem Ektoderm, der äußersten Zellschicht des Embryos. Sie faltet sich während der Neurulation zum Neuralrohr, dem Vorläufer von Gehirn und Rückenmark. Die meisten Neuronen stammen von radialen Gliazellen ab, die Nervenzellen, neuronale Vorläufer und Gliazellen bilden können.
Wanderung und Spezialisierung der Neuronen
Junge Neuronen wandern über weite Strecken von ihrem Geburtsort im Innern des Gehirns zu ihren Bestimmungsorten. Sie werden von Wachstumskegeln an den Spitzen ihrer Fortsätze unterstützt. Signalstoffe verteilen sich in unterschiedlichen Konzentrationen entlang der Achsen und bestimmen das Schicksal der Zellen.
Zellvermehrung und Reifung
In den ersten Wochen der Entwicklung findet eine intensive Produktion von Nervenvorläuferzellen statt. Radiale Gliazellen teilen sich an der Innenwand des Neuralrohrs. Eine der Töchter bleibt radiale Gliazelle, die andere entwickelt sich zu einem Neuron oder einem anderen Vorläuferzelltyp.
Einmal geborene Neurone teilen sich nicht mehr, wandern aber zu ihrem Bestimmungsort und nehmen ihre endgültige Gestalt und Funktion an. Das Axon und die Dendriten bilden sich und gehen auf Partnersuche.
Asymmetrische und symmetrische Zellteilung
Neurale Stammzellen teilen sich entweder, um sich zu vermehren (Proliferation), oder um differenzierte Zellen zu produzieren (Differenzierung). Im sich entwickelnden Gehirn von Säugetieren koexistieren beide Arten von Stammzellteilungen.
Sichtbarmachung von Stammzellen
Forschern gelang es, selektiv solche Stammzellen sichtbar zu machen, die in ihrer nächsten Teilung Nervenzellen produzieren. Dazu wurde in einer Maus eine Kopie eines Gens, das spezifisch in diesen Stammzellen angeschaltet wird, durch das Gen für Grün-Fluoreszierendes-Protein (GFP) ersetzt.
Asymmetrische Teilung von NE-Zellen
Die Teilung von Neuroblasten bei der Fruchtfliege Drosophila zeigt, wie die asymmetrische Teilung einer neuronalen Vorläuferzelle auf ihrer zellbiologischen Organisation beruht, speziell auf der Orientierung ihrer Teilungsfurche in Bezug auf die apikal-basale Polarität.
Verteilung der apikalen Membran
Die Forscher haben die Hypothese aufgestellt, dass vertikale Teilungen nicht nur symmetrisch, sondern auch asymmetrisch sein und zu Neurogenese führen können. Zentral für diese Hypothese ist die Verteilung der apikalen Plasmamembran bei der Teilung von Säugetier-NE-Zellen.
Die Ergebnisse zeigen, dass das Umschalten von Proliferation zu Differenzierung bei NE-Zellen eher mit einer veränderten Verteilung der apikalen Membran zusammenhängt als mit einer Drehung der Zellteilungsfurche.
Neuronale Vorläuferzellen
Die Zeitraffer-Studien zeigten die Existenz einer bislang nicht charakterisierten neuronalen Vorläuferzelle, die keine apikale Membran mehr besitzt und sich in der basalen Region des Neuroepithels symmetrisch in zwei postmitotische Nervenzellen teilt.
Hemisphärische Spezialisierung des Gehirns
Das Gehirn besteht aus zwei fast gleichen Hälften. Die Kommunikation zwischen den Hemisphären läuft über eine kleine Brücke, das Corpus callosum.
Optimierung der Informationsübertragung
Die Zahl der Nervenfasern im Corpus callosum ist geringer als die Zahl der Fasern innerhalb einer Hirnhälfte. Dies ist ein Kompromiss zwischen Auflösung und Geschwindigkeit der Informationsübertragung.
Autarkie und Spezialisierung
Die beiden Hemisphären sind gezwungen, sich zu spezialisieren und autark Entscheidungen zu treffen, um die Prozesse effizienter zu gestalten.
Asymmetrie und Sprachverarbeitung
Die Asymmetrie in den Hirnregionen, die den menschlichen Sprachregionen entsprechen, hat in den letzten Jahrmillionen innerhalb der Gattung Homo zugenommen. Die linke Hemisphäre konzentriert sich auf Details, während die rechte Hemisphäre Zusammenhänge erfasst.
Wettbewerb der Hirnhälften
Es gibt die These, dass die Hirnhälften eher um die Vorherrschaft über unser Handeln konkurrieren als dass sie kooperieren. Die Fasern, die die beiden Hirnhälften verbinden, haben letztlich einen hemmenden Effekt.
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