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B978-3-437-43690-1.10030-0

10.1016/B978-3-437-43690-1.10030-0

978-3-437-43690-1

Der Lebenszyklus eines Vertebraten, hier am Beispiel der Maus gezeigt.

Frühe Embryonalentwicklung des Menschen. Nach Verschmelzung von Spermium und Eizelle und ersten Teilungen entstehen Morula und Blastozyste (a), die sich in der Uterusschleimhaut implantiert (b). Aus der inneren Zellmasse entstehen der Epiblast und daraus während der Gastrulation Mesoderm und embryonales Endoderm (c).

Symmetrische und asymmetrische Zellteilung.

Stammzellen kommen in definierten Nischen der Organe vor, wo sie für Regeneration und Funktionserhalt sorgen. Durch asymmetrische Teilung entfernt sich eine Tochterzelle aus dem Stammzellpool und steigert für eine gewisse Zeit ihre Teilungsrate (transienter Proliferationspool). Diese Zellen differenzieren sich schließlich zu Zellen der Haarwurzel oder der Darmschleimhaut. a) Haarbalg, b) Darmkrypten.

Schema des Aufbaus eines Morphogengradienten. Je nach Signalintensität zeigen die Zielzellen eine unterschiedliche Antwort. Gelbe Kreise: Ligand, rote Halbkreise: Antagonist; die Rezeptoren sind auf der Zelloberfläche dargestellt.

Festlegung der Rechts-links-Asymmetrie durch

a) Zilienschlag und b) Induktion von Pitx2.

Somitogenese bei Vertebraten.

a) Genexpression im präsomitischen Mesoderm (PSM). FGF8 und die vom Enzym RALDH2 (Retinaldehyd-Dehydrogenase 2) produzierte Retinsäure bilden gegenläufige Morphogengradienten. Dazwischen verlaufen Wellen der Hes1/7-Expression nach anterior.

b) Die kurze Halbwertszeit von Hes1/7-mRNA und -Protein ist Grundlage eines Oszillationsmechanismus, der durch weitere Signale zwischen den Zellen synchronisiert werden kann.

c) Darstellung der metameren Gliederung eines Mausembryos durch Anfärbung der jeweils posterioren Hälfte der Somiten mit dem Marker uncx4.1.

Hox-Gene und ihre Expression.

a) Schematischer Aufbau der Hox-Gencluster bei Drosophila und Maus und Expressionsdomänen von anterior (A) nach posterior (P).

b) Expression einzelner Hox-Gene im Mausembryo. Die Expressionsgrenze im Neuralrohr (rote Punkte) liegt immer weiter anterior verglichen mit dem Rumpf (blaue Punkte). Auch die Extremitäten zeigen eine gestufte Expression.

Bildung der Phalangen durch interdigitale Apoptose von Zellen. Dunkle Punkte markieren apoptotische Zellen zwischen den Fingern einer Hand und auch bereits zwischen den Phalangen (Pfeile).

Musterbildung im Neuralrohr und differenzielle Aktivierung von Transkriptionsfaktoren.

a) BMP und Shh wirken antagonistisch von dorsal bzw. ventral auf das Neuralrohr ein.

b) Abhängig von Morphogengradienten (Shh und BMP) wird die Expression unterschiedlicher Transkriptionsfaktoren induziert bzw. reprimiert.

Laterale Inhibition und Bildung von Grenzen.

a) Das vereinfachte Modell zeigt zwei gleichwertige Zellen, deren Delta- und Notch-Expression sich über die Hemmung des Transkriptionsfaktors Neurogenin gegenseitig in Schach halten. Sobald die Signalstärke in einer Zelle überwiegt, kippt das System, und nur die Delta-exprimierende Zelle wird zum Neuroblasten.

b) Jedes Ungleichgewicht zwischen Delta (Dl)- und Notch (N)-Expression wird verstärkt und führt schließlich zur Bildung von Grenzen oder der Selektion einzelner Zellen in Clustern.

Entstehung von Muskelvorläufern aus den Somiten. Insbesondere Morphogene (Shh, Wnt, BMP) und Wachstumsfaktoren (NT-3, FGF) induzieren konzentrationsabhängig myogene Transkriptionsfaktoren in den dorsalen und lateralen Anteilen der Somiten. Dort entstehen Vorläufer der Rückenmuskulatur (epaxial) sowie der Rumpfwand- und Extremitätenmuskulatur (hypaxial). Der anteromediale Anteil der Somiten wird unter hohen Shh-Konzentrationen zum Sklerotom.

HIF als Sauerstoffsensor. Die -Untereinheit von HIF wird durch Prolyl-Hydroxylase (PH) modifiziert. Diese enzymatische Reaktion benötigt Sauerstoff und ist daher unter Hypoxie gehemmt. HIF--Anreicherung erlaubt die Bildung aktiver HIF-Dimere, die an HRE-Sequenzen (Hypoxia response element) in der DNA binden und Zielgene aktivieren. Hydroxyliertes HIF- wird dagegen vom VHL-Protein erkannt, das die Ubiquitinierung vermittelt und so den Abbau im Proteasom einleitet. GTF: generelle Transkriptionsfaktoren.

VEGF-induzierte Angiogenese. Die an der Spitze des auswachsenden Sprosses wandernde Tip cell bewegt sich auf die Region der höchsten VEGF-Konzentration zu. Proliferation und Lumenbildung im Stiel (stalk cells) sorgen für ein Nachfolgen des neuen Blutgefäßes.

EMT und MET bei der Metastasierung von Tumoren.

Reaktive Sauerstoffspezies können oxidativen Stress auf vielerlei Ebenen auslösen.

Modell der Lebenserwartung in Abhängigkeit von Stoffwechselaktivität und Maintenance-Funktionen.

Postulierte Regelkreise, die eine Veränderung der Lebenserwartung in unterschiedlichen Spezies zeigten. Orange: Höhere Aktivität wirkt lebensverkürzend. Hellblau: Höhere Aktivität wirkt lebensverlängernd.

Ausgewählte erbliche Syndrome mit vorzeitiger Alterung

Tab. 30.1
Erkrankung Defekt betroffener Prozess
Hutchinson-Gilford-Progerie Lamin A/C (Teil der Kernhülle) Beeinträchtigung der Funktion der Kernlamina
kongenitale Dyskeratose TERC RNA-Komponente der Telomerase
Werner-Syndrom WRN (RecQ-verwandte Helicase) DNA-Reparatur und -Rekombination
Bloom-Syndrom BLM (RecQ-verwandte Helicase) DNA-Reparatur und -Rekombination
Xeroderma pigmentosum, Cockayne-Syndrom XP-Gene, CSA/CSB Nucleotidexzisionsreparatur
Ataxia teleangiectatica ATM DNA-Schadensantwort (Doppelstrangbruch und Reparatur)
Fanconi-Anämie FANC-Gene DNA-Doppelstrangbruch- und DNA-Quervernetzungsreparatur

Entwicklung und Altern

M. Gessler

  • 30.1

    Grundlegende Prozesse der Entwicklung 932

  • 30.1.1

    Von der Zygote zum Embryo932

  • 30.2

    Zelluläre Grundlagen der Entwicklung 934

  • 30.2.1

    Hierarchie der Zellen934

  • 30.2.2

    Symmetrische und asymmetrische Zellteilung934

  • 30.2.3

    Stammzellen und Reprogrammierung935

  • 30.3

    Signalmoleküle der Embryonalentwicklung 936

  • 30.3.1

    Zell-Zell- und Zell-Matrix-Kommunikation936

  • 30.3.2

    Musterbildung durch Morphogengradienten937

  • 30.3.3

    Achsen und Rechts-links-Asymmetrie938

  • 30.4

    Organogenese 938

  • 30.4.1

    Segmentierung938

  • 30.4.2

    Musterbildung entlang den Körperachsen939

  • 30.4.3

    Musterbildung im ZNS941

  • 30.4.4

    Muskelentwicklung942

  • 30.4.5

    Hypoxie und Angiogenese943

  • 30.5

    Reaktivierung embryonaler Prozesse 944

  • 30.5.1

    Regeneration945

  • 30.5.2

    EMT und MET945

  • 30.6

    Alterung 946

  • 30.6.1

    Molekulare Phänomene des Alterns947

  • 30.6.2

    Strategien für ein langes Leben?948

Praxisfall

Ein Neugeborenes besitzt eine auffällige Veränderung der Finger und Zehen. Der dritte Finger erscheint verdoppelt, aber häutig zusammengewachsen. Eine Röntgenaufnahme bestätigt den Verdacht einer Synpolydaktylie. Fehlbildungen dieses Typs lassen sich nach dem betroffenen Anteil der Hand klassifizieren. Die Verdachtsdiagnose Synpolydaktylie Typ II kann durch DNA-Analyse bestätigt werden. Der Patient besitzt eine dominante Mutation des Hoxd13-Gens, wodurch es zu einer Verlängerung eines Alanin-Repeats im Protein kommt und dieses veränderte funktionelle Eigenschaften aufweist. Da die Hox-Gene durch überlappende Expression in den Extremitäten deren Musterbildung in der Embryonalentwicklung festlegen, ist es gut vorstellbar, dass eine veränderte Funktion zur falschen Spezifizierung von skelettalen Vorläuferzellen und damit zu zusätzlichen Phalangen führt.

Zur Orientierung

Bereits Einzeller sind in der Lage, verschiedene Lebensformen anzunehmen. Man denke an Sporenbildung, verschiedene Lebensformen der Parasiten etc. Vielzellige Organismen können jedoch durch die parallele Spezialisierung ihrer Einzelzellen einen sehr viel komplexeren Organisationszustand erreichen. Hierzu bedarf es aber vielfältiger Interaktionen zwischen den einzelnen Kompartimenten. Die gleichen Steuerungsmodule werden dabei häufig mehrfach für die Bildung unterschiedlicher Organe eingesetzt. Selbst im ausgereiften Individuum können solche Prozesse bei Bedarf teilweise reaktiviert werden, um Reparaturprozesse zu ermöglichen. In diesem Kapitel wird die Entwicklung des Menschen aus biochemischer Sicht von der einzelnen Zelle über das Embryonalstadium bis zum Alter verfolgt, wobei auf die molekulare Entwicklung der wichtigsten Organsysteme wie Nerven, Muskeln, Blutgefäße u.a. eingegangen wird.

Trotz verschiedener Schutzmechanismen akkumulieren in einem Organismus im Laufe der Zeit Schäden unterschiedlicher Art, sodass dieser schließlich einer fortschreitenden Alterung unterliegt. Alterung ist ein extrem komplexes Phänomen und betrifft alle Gewebe des Individuums. Damit gehen Funktionseinschränkungen auf allen Ebenen und eine erhöhte Krankheitsanfälligkeit einher.

Grundlegende Prozesse der Entwicklung

Von der Zygote zum Embryo

Die Entwicklung eines Individuums beginnt nach der Befruchtung der Eizelle durch das Spermium mit der Vereinigung des maternalen und paternalen Genoms als genetischer Grundlage eines neuen Individuums. Hierauf folgen rasche Zellteilungen und erste Differenzierungsschritte, in denen das Entwicklungspotenzial der ursprünglich totipotenten Zellen sukzessive eingeschränkt wird (Abb. 30.1).
  • Es bilden sich embryonale und extraembryonale Zellschicksale aus.

  • In der Gastrulation entstehen die drei Keimblätter – Ektoderm, Mesoderm und Endoderm –, aus denen sich sukzessive die Zelltypen des reifen Organismus ableiten.

  • Damit geht die Ausbildung der Körperachsen einher (anterior-posterior, dorsal-ventral, rechts-links).

  • In der Organogenese bilden sich aus den Vorläuferzellen über komplex gesteuerte Induktionen und Interaktionen schließlich Gewebe und Organe, die dann in der Fetalperiode v.a. weiter wachsen und reifen.

All diese Prozesse werden über komplexe Mechanismen auf molekularer Ebene gesteuert. Das gesamte Entwicklungsprogramm ist im Genom kodiert.
Die Zygote wird als totipotent bezeichnet, da sie in der Lage ist, den gesamten lebensfähigen Embryo zu bilden, der aus embryonalen und extraembryonalen Geweben besteht. Aus pluripotenten Zellen, wie z.B. embryonalen Stammzellen, lassen sich zwar alle Zellen der drei Keimblätter eines Embryos ableiten, jedoch nicht die extraembryonalen Zellen, die für den Trophoblasten und die embryonalen Anteile der Plazenta notwendig sind.
Die Grundlagen für all diese Entwicklungsschritte sind:
  • Zellwachstum (Proliferation, Hypertrophie, Zellfusion, Endomitose)

  • Differenzierung

  • Apoptose

  • Signalaustausch zwischen Zellen und ihrer Umgebung. Zellen senden selbst Signale aus bzw. reagieren auf exogene Stimuli und erhalten über Zelladhäsionsmoleküle Informationen über ihre direkten Nachbarn oder die umgebende extrazelluläre Matrix. Die Reaktion auf solche lokalen oder über Distanz wirksamen Stimuli hängt ab von

    • der Kompetenz der Zelle (Rezeptorausstattung etc.)

    • der zelltypspezifischen Interpretation der Signale durch Aktivierung verschiedener Signalkaskaden

    • der Integration von möglicherweise mehrfachen Signalen, die gleichzeitig auf die Zelle einwirken.

Schon gewusst

Die Entwicklungsbiologie bedient sich in der Forschung typischerweise verschiedener Modellorganismen, wie z.B. Maus, Huhn, Fisch (Zebrafisch, Medaka) und Xenopus laevis (Krallenfrosch). Jede Spezies weist spezifische Vorzüge auf, sei es die gute genetische Manipulierbarkeit, die einfache experimentelle Zugänglichkeit oder die Eignung für In-vivo-Beobachtung embryonaler Zellschicksale. Darüber hinaus besitzen Invertebraten wie die Fruchtfliege Drosophila oder der Fadenwurm C. elegans eine wichtige Vorreiterfunktion bei der Definition von Signalkaskaden und Funktionszusammenhängen, die bei Vertebraten – wenngleich in komplexerer Form – oft erstaunlich gut erhalten sind. Weil die grundlegenden Prozesse und die beteiligten Moleküle der Entwicklung bei vielen Organismen die gleichen sind, erlauben die an den Modellsystemen gewonnenen Erkenntnisse in vieler Hinsicht Rückschlüsse auf den Menschen.

Entstehung der Zygote
Durch die Vereinigung von Spermium und Eizelle entsteht die Zygote. Hierzu bedarf es
  • der gerichteten Wanderung und Anheftung der Spermien an die Eizelle

  • der biochemischen Auflösung der aus Glykoproteinen und Glykosaminoglykanen bestehenden Zona-pellucida-Hülle des Eis durch Proteasen und Glykosidasen des Akrosoms

  • der Fusion von Spermien- und Eizellmembran.

Das Spermium bringt praktisch nur sein Erbgut und die Zentriolen mit ein, die wenigen Mitochondrien werden durch Polyubiquitinierung markiert und degradiert.
Die Wanderung der Spermien zur Eizelle wird u.a. durch Geruchsrezeptoren gesteuert. Die Chemotaxis beruht auf der Aktivierung von G-Protein-gekoppelten Rezeptoren, wie sie auch im Riechepithel vorkommen. Eine Signalübertragung via Golf, cAMP und Ca2+-Einstrom steigert die gerichtete Motilität der Spermien entlang einem bestehenden Gradienten von Ligandenmolekülen. Wenngleich die Rezeptoren in vitro durch Lipide wie Bourgeonal (4-t-Butylbenzenpropionaldehyd, Maiglöckchenduft) aktiviert und durch Undecanal gehemmt werden, so ist der physiologisch relevante Ligand noch nicht identifiziert.
Bildung der Blastozyste
Die Zygote enthält zunächst die beiden elterlichen haploiden Pronuclei, die ihre DNA replizieren und aufeinander zuwandern. Mit der Auflösung der beiden Kernmembranen bilden sich die Metaphasechromosomen der ersten Zellteilung. Die Zygote teilt sich durch mehrfache Furchungen anfangs ohne Zunahme der Zellmasse (Abb. 30.2a). Eine E-Cadherin-vermittelte Zunahme der Zelladhäsion ergibt dann die kompakte Morula. Daraus entsteht durch Flüssigkeitseinstrom und weitere Proliferation die Blastozyste mit:
  • der inneren Zellmasse

  • dem äußeren Trophektoderm, aus dem extraembryonale Strukturen wie z.B. Teile der Plazenta entstehen.

Die inneren Zellmasse unterteilt sich in
  • primitives Endoderm, aus dem extraembryonale Gewebe und Membranen hervorgehen

  • primitives Ektoderm (Epiblast), pluripotente Zellen, die Vorläufer aller Zellen des Embryos sind.

Die Blastozyste implantiert sich in der Uterusschleimhaut, und der Epiblast trennt sich vom Trophektoderm durch die Entstehung der Amnionhöhle (Abb. 30.2b).
Gastrulation
Mit dem Beginn der Gastrulation werden die bereits determinierten embryonalen Achsen morphologisch sichtbar. Auf der anfangs flachen Epiblastschicht der inneren Zellmasse bildet sich am zukünftigen posterioren Ende eine Furche, der Primitivstreifen. Durch den Primitivstreifen wandern Zellen aus dem Epiblasten in die Tiefe zum primitiven Endoderm hin ein und bilden das Mesoderm sowie das embryonale Endoderm (Abb. 30.2c). Durch diesen Prozess ist die anterior-posteriore Körperachse eindeutig definiert und ebenso die dorsoventrale Achse als Einwanderungsrichtung der neuen meso- und endodermalen Zellen. Das Einwandern der Zellen ist ein aktiver Prozess, der starke Veränderungen der Zellarchitektur und Zelladhäsion erfordert. So muss der starre Epithelverband mit apikal zu basal polarisierten Zellen aufgelöst werden, indem Adhäsionsmoleküle abgeschaltet werden und die Zellen mesenchymale Charakteristika annehmen. Sie bilden Fortsätze aus und werden mithilfe des Actinfilamentsystems enorm beweglich.
Die Zellen der drei Keimblätter (Ekto-, Endo- und Mesoderm) bilden im Rahmen der Organogenese die einzelnen Gewebe und Organe des Körpers. Oftmals kooperieren Zellen verschiedener Keimblätter und induzieren gegenseitig ihre weitere Differenzierung. So entstehen Lunge, Leber und Pankreas aus mesodermalen Zellen, die durch endodermabgeleitete Epithelien induziert werden, die ihrerseits die Bronchien bzw. das Gangsystem bilden. Die Ausbildung reifer Organe erfordert zusätzlich eine Musterbildung, die deren Größe, Struktur und Symmetrie bestimmt.

MERKE

Nach Fusion von Spermium und Eizelle entsteht die totipotente Zygote. Durch Proliferation und unter sukzessiver Einschränkung des Entwicklungspotenzials entstehen in der Blastozyste mit Trophektoderm und innerer Zellmasse erste differenzierte Zelltypen. Die Gastrulation erzeugt dann die drei Keimblätter des Embryos: Ektoderm, Mesoderm und Endoderm.

Zelluläre Grundlagen der Entwicklung

Hierarchie der Zellen

Vielzellige Lebewesen sind aus funktionell sehr verschiedenen Typen von Zellen aufgebaut.
  • So zählt nur ein sehr kleiner Teil zu den Keimzellen, deren genetisches Material im Rahmen der Reproduktion weitergegeben wird.

  • Alle übrigen sind somatische Zellen, von denen wiederum nur ein kleiner Teil Stammzellcharakter aufweist, während der größte Teil als differenzierte Zellen spezifische Funktionen in den jeweiligen Geweben und Organen ausübt.

Somatische Zellen geben ihre Erbinformation nicht an die Nachkommenschaft weiter. Alle genetischen Veränderungen der somatischen Zellen betreffen daher nur das jeweilige Individuum, während sich Mutationen in den Keimzellen erst in der nächsten Generation manifestieren.
Keimzellen werden während der Entwicklung und auch postnatal an besonderen Orten und Nischen versammelt, um sie von Differenzierungseinflüssen und vermutlich auch von schädigenden Einflüssen fernzuhalten. Ihre Teilung ist streng kontrolliert. Auch gewebespezifische Stammzellen unterliegen einer genauen Teilungskontrolle.

Symmetrische und asymmetrische Zellteilung

Es gibt zwei grundsätzlich verschiedene Arten von Zellteilungen (Abb. 30.3). Beide folgen zumeist auf eine Wachstumsphase, bei der die Ressourcen für die neuen Tochterzellen generiert werden.
  • Symmetrische Teilungen dienen der Zellvermehrung und Vergrößerung von Zellansammlungen und Strukturen.

  • Dagegen ist die asymmetrische Teilung dadurch charakterisiert, dass die beiden Tochterzellen unterschiedliche Zellschicksale oder Eigenschaften besitzen.

Asymmetrie kann dadurch entstehen, dass es zu einer ungleichmäßigen Verteilung von Proteinen oder RNA-Komponenten der Ursprungszelle auf die beiden Tochterzellen kommt. Dieser Mechanismus ist besonders relevant für alle Stammzellpopulationen, die sich selbst erhalten müssen und nur eine der Tochterzellen für eine weitere Expansion durch symmetrische Teilungen und anschließende Differenzierung zur Verfügung stellen dürfen. Die präzise Kontrolle dieses Stammzellreservoirs ist essenziell für den Funktionserhalt vieler Organe. Ein Versiegen der Quelle neuer Zellen würde das Wachstum des Organismus frühzeitig beenden und somit zu Defekten führen.
Die Asymmetrie der Teilung kann sich bei epithelialen Zellen auch aus der Ausrichtung der mitotischen Spindel ergeben. Steht diese senkrecht zur Oberfläche, so wird eine der Tochterzellen unterhalb oder oberhalb dieser Ebene zu liegen kommen und aus dem Verband ausscheren, während bei einer Achse parallel zur Epithelschicht die Teilung eher symmetrisch erfolgen wird, wenngleich es auch hier zusätzliche Mechanismen der Polaritätsfestlegung von Zellen gibt.
Stammzellnischen
Nicht nur während der Embryonalentwicklung ist der Organismus auf Stammzellen angewiesen. Insbesondere proliferationsaktive Gewebe wie die Haut, Darmepithelien oder das hämatopoetische System (Kap. 25.2.1) sind lebenslang auf Stammzellen angewiesen. Diese werden als adulte Stammzellen bezeichnet. Sie befinden sich meist geschützt in sog. Nischen, die eine strenge Kontrolle der Proliferation erlauben und sie gegen externe Einflüsse abschirmen. Solche Nischen finden sich z.B. in der Haarwurzelscheide oder in den Darmkrypten (Abb. 30.4). Stammzellen erlauben im adulten Organismus eine Regeneration geschädigter Gewebe, wenngleich dies beim Menschen nicht mehr für alle Gewebe in gleicher Weise zutrifft. Sogar bestimmte neuronale Zellen zeigen teilweise ein hohes Regenerationspotenzial, wie z.B. die Zellen des Riechepithels, die einem permanenten Umsatz unterliegen.

Stammzellen und Reprogrammierung

Während der Embryonalentwicklung entstehen aus der totipotenten Zygote pluripotente Vorläuferzellen und immer weiter differenzierte Nachkommen, die nur noch multipotent bzw. später unipotent zur Bildung spezifischer terminal differenzierter Zellen beitragen. Das Entwicklungspotenzial wird also sukzessive eingeschränkt. Dies wird u.a. dadurch bewerkstelligt, dass viele Chromatinbereiche durch DNA-Methylierung und Chromatinmodifikation dauerhaft abgeschaltet werden (Kap. 12.7 und 12.8.1Kap. 21.7Kap. 12.8.1). Zellen der inneren Zellmasse sind noch in der Lage, alle Zellen des Embryos zu bilden, nicht jedoch extraembryonale Membranen und die Plazenta.
Embryonale Stammzellen
Aus der inneren Zellmasse leiten sich bei der Maus die murinen embryonalen Stammzellen (mES) ab, die in Kultur gezielt genetisch modifiziert werden können. Nach Rücktransfer in Empfängerblastozysten und Implantation in scheinschwangere Tiere können so transgene und Knock-out-Mauslinien hergestellt werden (Kap. 15.3.3).
Auch humane embryonale Stammzellen (hES) können im Labor durch unterschiedliche Behandlungen in eine Vielzahl verschiedener Zelltypen differenziert werden. Viele Hoffnungen ruhen auf der gezielten Produktion von Zellen als Gewebsersatz (z.B. -Zellen des Pankreas für Diabetiker). Es gibt jedoch Unterschiede zwischen humanen und murinen embryonalen Stammzellen, die sich z.B. in unterschiedlicher Abhängigkeit von Wachstumsfaktoren zeigen: mES werden durch das Zytokin LIF (leukemia inhibitory factor) im pluripotenten Zustand gehalten, dagegen benötigen hES FGF2 (basischer Fibroblastenwachstumsfaktor).
Während mES aus der inneren Zellmasse abstammen, wird vermutet, dass hES möglicherweise aus dem Epiblasten abgeleitet sind und damit eine etwas andere Entwicklungspotenz besitzen. Auf diesem sich rasant entwickelnden Feld sind jedoch noch viele Fragen ungeklärt und manche Forschungsansätze aus ethischen Erwägungen umstritten.
Reprogrammierung
Entgegen früheren Annahmen ist selbst der Differenzierungszustand adulter differenzierter Zellen durchaus plastisch. So konnte durch Transfer des Kerns von kultivierten adulten Zellen in Zygoten, denen der Zellkern zuvor entfernt wurde, in verschiedenen Tierspezies eine Reprogrammierung des Zellkerns erreicht werden. Das Klonschaf Dolly war hier Wegbereiter für eine Reihe von ähnlichen Arbeiten mit anderen Säugerspezies. Die so erzeugten Klone sind genetisch absolut identisch.
Dieses Klonen hat jedoch auch seine Tücken: Bei der natürlichen Reproduktion werden maternale und paternale Imprinting-Muster, die etwa 50–100 Gene betreffen, in den Keimzellen gelöscht und in frühen Embryonalstadien neu etabliert. Dies stellt sicher, dass Gene wie IGF2 (Insulin-like growth factor) nur von einer parentalen Genkopie exprimiert werden. Diese epigenetische Reprogrammierung unterbleibt beim Klonen und führt zu Entwicklungsproblemen wie fetalem Riesenwuchs (Kap. 14.5.2 und 15.5Kap. 14.5.2Kap. 15.5).

Blick ins Labor

Überraschenderweise scheint die gezielte Expression von nur drei oder vier Proteinen (Oct4, Nanog, Klf4 und evtl. c-Myc; alle Transkriptionsfaktoren) auszureichen, um z.B. aus Fibroblastenkulturen pluripotente Stammzellen zu isolieren, die in alle Körperzellen differenzieren können. Somit wäre es denkbar, in Zukunft durch entsprechende Behandlung von Zellen diese in Stammzellen zurückzuverwandeln, sie zu vermehren und beliebige differenzierte Abkömmlinge zu erzeugen.

MERKE

Zellen können sich durch symmetrische Teilung vermehren, oder sie können durch asymmetrische Teilung verschiedene Zellschicksale ermöglichen. Während Stammzellen ein streng kontrolliertes Reservoir für die Entwicklung und den Erhalt des Organismus darstellen, bilden ihre differenzierten Abkömmlinge den eigentlichen Funktionspool an Zellen, der die Masse der Organe und Gewebe ausmacht.

Signalmoleküle der Embryonalentwicklung

Zell-Zell- und Zell-Matrix-Kommunikation

Für die Zell-Zell- und die Zell-Matrix-Kommunikation in der Embryonalentwicklung wird eine breite Palette an Liganden und Rezeptoren benutzt. Meist werden diese Signalkaskaden parallel in verschiedenen Organen eingesetzt. Das Ergebnis hängt dann sowohl vom Ausgangszustand der Zellen als auch vom Zusammenwirken mit anderen gleichzeitig einwirkenden Stimuli ab. Funktionell unterscheidet man die Induktion und die Kompetenz von Zellen:
  • Unter Induktion versteht man, dass Signale einer Gruppe von Zellen das Schicksal anderer benachbarter Zellen beeinflussen.

  • Die Kompetenz beschreibt die Fähigkeit von Zellen, auf induzierende Stimuli zu reagieren.

Des Weiteren werden parakrine und juxtakrine Signale unterschieden:
  • Wichtige parakrine Signalmoleküle sind Liganden der FGF-, der Wnt- und der Hedgehog-Familie und die zahlreichen Mitglieder der TGF--Superfamilie (Kap. 22.5.1). Durch Bindung an die extrazelluläre Matrix (z.B. durch heparinbindende Proteindomänen bzw. spezielle Bindeproteine) oder Lipidmodifikation wie im Fall von Hedgehog bleibt ihre Diffusionsstrecke beschränkt, und ihre Wirkung reicht oftmals nur über wenige Zellen hinweg.

  • Juxtakrine Signale werden durch Ephrin-, Delta/Jagged- und membranständige Tyrosinkinaserezeptor-Liganden wie Neuregulin übertragen. Diese Liganden erfordern hierfür den direkten Kontakt der miteinander wechselwirkenden Zellen untereinander.

Schließlich greifen auch Zelladhäsionsmoleküle wie Cadherine und CAMs (Cell adhesion molecules; Ig-Superfamilie) sowie Integrine als Zell-Matrix-Verbindungen steuernd ein (Kap. 20.1.2). So dienen Zelladhäsionsmoleküle durch die Spezifität der Interaktionen als Sortiermechanismus von Zellen und zum Fixieren von Grenzen: Zellen mit kompatiblen Oberflächenmolekülen aggregieren, während andere aus dem Verband ausgesondert werden. So können sich Kompartimente bilden. Ein wichtiges Beispiel für die Funktion von Adhäsionsmolekülen ist das Zusammenhalten und die Kompaktierung von Morula und Blastula, wo v.a. E-Cadherin eine essenzielle Rolle spielt.

Musterbildung durch Morphogengradienten

Insbesondere bei der Entwicklung von Drosophila und dem Krallenfrosch Xenopus laevis wurde das Konzept der Morphogene etabliert und inzwischen auch auf Vertebraten übertragen. Als Morphogene bezeichnet man Signalmoleküle, die von ihrem Produktionsort diffundieren und einen Konzentrationsgradienten bilden, auf den Zielzellen je nach ihrem Schwellenwert für das Signalmolekül mit unterschiedlichen Antworten reagieren. Die Lage einer Zelle innerhalb des Gradienten bestimmt also, welche Reaktionen ausgelöst bzw. welches Genexpressionsprogramm aktiviert wird. Somit kann durch dasselbe Signalmolekül eine Reihe unterschiedlicher Antworten ausgelöst werden.
Der dazu notwendige Konzentrationsgradient kann entweder durch lokale Produktion am einen und Abbau am anderen Ende des Gradienten oder auch durch eingeschränkte Diffusion des Liganden erreicht werden (Abb. 30.5). Eine wichtige Komponente sind gegenläufige Gradienten von weiteren Proteinen, die ihrerseits die Liganden binden und so eine Rezeptorbindung und Aktivierung verhindern. Durch einen solchen gegenläufigen Gradienten wird auch sichergestellt, dass in der vorhandenen Strecke zwischen den produzierenden Zellen alle Schwellenwerte erreicht werden, was bei einem passiv auslaufenden Gradienten schwieriger einzustellen wäre.
Bekannte Beispiele für Liganden und ihre Antagonisten sind:
  • BMP (bone morphogenetic proteins, Mitglieder der TGF--Superfamilie) und die hemmenden Faktoren Noggin, Chordin und Follistatin. Während BMP im Ektoderm des Gastrula-Embryos die Bildung von Epidermis induzieren, muss diese Funktion blockiert werden, um eine Differenzierung in neurale Zellen zuzulassen.

  • Auch für die Wnt-Liganden und deren Antagonisten wie Cerberus, Dickkopf oder die sFRP (Secreted frizzled related proteins) gilt Ähnliches. In diesem Fall kann z.B. Cerberus die Induktion von Epidermis im anterioren Ektoderm durch Wnt-Proteine aufheben und für eine Ausbildung anteriorer neuraler Strukturen wie des Vorderhirns sorgen.

Schon gewusst

Nomenklatur der Gene Viele Gene und Genprodukte besitzen Namen, die offensichtlich wenig mit ihrer Funktion zu tun haben und teils merkwürdig erscheinen. Der Grund liegt meist in der Geschichte ihrer Entdeckung. Häufig stammt der Name von Mutanten, die in groß angelegten Reihenuntersuchungen bei Drosophila oder anderen Spezies entdeckt wurden. In aller Regel wurde dabei nur ein genetischer Entwicklungsdefekt beschrieben, ohne dass das mutierte Gen oder das Protein bekannt war. Traditionell haben Erstbeschreiber den Mutanten daher Namen gegeben, die schlagwortartig den Phänotyp beschreiben, wobei der Fantasie und Ausflügen in Mythologie und fremde Sprachen keine Grenzen gesetzt sind. So besitzen Drosophila-Larven von Hedgehog-Mutanten ein igelartiges Aussehen. Die anhand ihrer Sequenzverwandtschaft identifizierten Säugergene wurden mithilfe der Namen von Videospielfiguren schließlich als Sonic, Indian und Desert hedgehog (Shh, Ihh, Dhh) bezeichnet. Die Namen gelten immer für das Gen und das Protein, wobei Gene kursiv geschrieben werden, beim Menschen zudem in Großbuchstaben. Durch parallele Erstbeschreibungen (das den mutierten Phänotyp auslösende Gen war vorher schon in anderem Zusammenhang beschrieben oder in einem anderen Modellorganismus entdeckt worden etc.) besitzen viele Gene auch Zweitnamen, sodass die Nomenklatur manchmal verwirrend sein kann.

Achsen und Rechts-links-Asymmetrie

Eine erste Polarisierung des Embryos erfolgt in der Morula und der Blastozyste. Nur die inneren Zellen tragen zur inneren Zellmasse (ICM) und zum Embryo bei. Die für die initiale Ausrichtung der Körperachsen ausschlaggebenden Signale sind beim Menschen und bei der Maus noch unzureichend erforscht. Bei der Umsetzung spielt der Hensen-Knoten am anterioren Ende des Primitivstreifens bzw. der Spemann-Organisator in Amphibien eine zentrale Rolle. Diese Strukturen besitzen globale Musterbildungsfunktionen. Sie legen die anterior-posteriore und die dorsoventrale Körperachse fest. Transplantationsexperimente zeigten, dass durch Einsetzen eines zweiten Knotens im Embryo eine zweite Körperachse erzeugt werden kann. Vor allem die oben erwähnten BMP und Wnt-Liganden und ihre Antagonisten scheinen hierbei eine essenzielle Rolle zu spielen.
Während paarige Strukturen wie die Extremitäten spiegelbildlich entlang der anterior-posterioren Achse ausgebildet werden, gibt es eine Reihe von unpaaren, inneren Organen mit asymmetrischem Aufbau und Lage. Ihre Position ist genetisch festgelegt und wird durch asymmetrische Genexpressionsmuster umgesetzt. Das wichtigste Organisationszentrum hierfür ist wiederum der Knoten am anterioren Ende des Primitivstreifens. Zilien der Zellen im Knoten rotieren im Uhrzeigersinn (Kap. 19.2.2, Abb. 30.6a). Durch das Kippen der Drehachse nach posterior entsteht ein nach links gerichteter Flüssigkeitsstrom, der damit die Symmetrie bricht. Die molekulare Umsetzung ist jedoch noch umstritten.
Eine der Hypothesen besagt, dass dieser Flüssigkeitsstrom kleine, mit Signalmolekülen wie Sonic hedgehog (Shh) und Retinsäure beladene Vesikel transportiert, die damit eine unilaterale Signaltransduktion auslösen. Andererseits gibt es in der Peripherie des Knotens mechanosensorische Zilien, die auf eine Reizung mit einem Ca2+-Einstrom reagieren, der dann ebenfalls unilateral auftreten würde. Endergebnis ist in jedem Fall eine einseitige Induktion von Faktoren wie Nodal (ein mit TGF- verwandtes Signalmolekül), die letztlich zu einer Induktion des Transkriptionsfaktors Pitx2 führt, der linksseitige Strukturen induziert. Auf der kontralateralen Seite bleibt dagegen der Transkriptionsfaktor Snail aktiv, der die Bildung rechtsseitiger Strukturen fördert (Abb. 30.6b).

Klinik

Die Bedeutung des Zilienschlags wird durch Mutationen beim Menschen und bei der Maus eindrücklich bestätigt: Unbewegliche Zilien, die durch Mutation des Dyneingens entstehen, führen zu einer Randomisierung der Lateralisation innerer Organe (50% Situs inversus). Bei Menschen mit Kartagener-Syndrom (primäre ziliäre Dyskinesie) kommt es durch Ausfall von Dynein zudem zu Sterilität (immobile Spermien) und respiratorischer Infektanfälligkeit (fehlender Zilienschlag im Flimmerepithel).

MERKE

Die Embryonalentwicklung beruht auf einer Vielzahl v.a. para- und juxtakriner Zell-Zell-Interaktionen sowie Zell-Matrix-Verbindungen. Kompetente Zellen können dabei induziert werden, bestimmte Differenzierungsrichtungen einzuschlagen. Konzentrationsabhängig wirkende Liganden, die in Geweben oft Gradienten bilden, werden auch als Morphogene bezeichnet. Eine wichtige musterbildende Struktur ist der Hensen-Knoten. Durch einen rotierenden Zilienschlag wird dort auch die Ausbildung der Rechts-links-Achse festgelegt.

Organogenese

Segmentierung

Vertebraten sind entlang ihrer anterior-posterioren Körperachse sichtbar in Form der Wirbel und Rippen gegliedert. Diese metamere Gliederung entsteht im Anschluss an die Gastrulation, wobei das neu entstandene Mesoderm beiderseits der Mittellinie epitheliale Somiten formt und damit eine Segmentierung erfährt. Die Umwandlung mesenchymaler in epitheliale Zellen ist jedoch nur temporär. Denn aus den Somiten entstehen das Sklerotom und das Dermomyotom und daraus schließlich Wirbel und Rippen bzw. Rumpf- und Extremitätenmuskulatur und die Dermis des Rückens. Die Bildung der Somiten schreitet von anterior nach posterior voran, wobei durch das Wachstum des Embryos fortlaufend neues Mesoderm generiert wird. Die verschiedene Struktur der Wirbelkörper und erst recht die unterschiedliche Verknüpfung mit Muskeln und Rippen oder die Art der segmentalen Innervation machen jedoch deutlich, dass jedes der so definierten Körpersegmente eigene und unverwechselbare Eigenschaften aufweist.
Die Bildung der Somiten aus dem zuerst unsegmentierten sog. präsomitischen Mesoderm (PSM) ist durch komplexe Regelmechanismen gesteuert. Am posterioren Ende wird der Wachstumsfaktor FGF8 exprimiert, der die Zellen in einem unreifen, proliferierenden Zustand hält, während von anterior die in den reifen Somiten gebildete Retinsäure die Umwandlung der mesenchymalen Zellen in Somiten fördert (Abb. 30.7). Innerhalb des präsomitischen Mesoderms zeigen schließlich die Notch- und Wnt-Signalwege zyklische Genexpressionswellen, die sicherstellen, dass am anterioren Ende des PSM jeweils Gruppen von Zellen synchron zu Epithel umgewandelt werden.
Ein Teil dieses Synchronisationsmechanismus scheint auf einer negativen Rückkopplung zu beruhen. Repressorproteine wie Hes1 und Hes7 unterdrücken ihre eigene Transkription, sodass auf den Abbau der kurzlebigen RNA und des ebenso kurzlebigen Proteins eine neue Synthesewelle folgt und so ein zyklisches Genexpressionsmuster mit einer Periodizität von etwa 2 h bei der Maus entsteht. Diese rhythmische Genexpression wird durch den Notch- und den Wnt-Signalweg synchronisiert, sodass jeweils ein Zellverband nach einer definierten Zahl von Zyklen zu Epithel umgewandelt wird.
Wenngleich noch nicht alle Details dieses molekularen Uhrwerks verstanden sind, zeigt obiges Beispiel, dass durch entsprechende Wahl interagierender Komponenten eine oszillierende Genexpression ähnlich dem zirkadianen Rhythmus entstehen kann.

Musterbildung entlang den Körperachsen

Musterbildung im Rumpf durch Hox-Gene
Morphologische und funktionelle Unterschiede zwischen einzelnen Körpersegmenten werden u.a. durch Hox-Gene festgelegt, die für die sog. Homeobox-Transkriptionsfaktoren kodieren (Kap. 12.4). Es gibt bei Säugern vier Hox-Gencluster, die in der Evolution von einem Prototyp mit 13 Genen durch zwei aufeinanderfolgende Duplikationsereignisse entstanden sind (Abb. 30.8). Die am 3'-Ende liegenden Gene beginnen im Embryo am weitesten anterior mit ihrer teils überlappenden Expression, während die 5' gelegenen Gene nur posterior exprimiert sind. Auf diese Weise werden aufeinanderfolgende Segmente und damit das Aussehen der betreffenden Wirbel oder Rippen durch unterschiedliche Kombinationen von Hox-Genen definiert, welche die Form der skelettalen Elemente und deren Position festlegen.
Auch die Musterung des Rhombencephalons oder der Extremitäten wird durch Hox-Gene mit bestimmt. Man spricht hier von einem sog. Hox-Code, der einer Postleitzahl gleich Identitäten der Segmente festlegt. Diese Parallelität der Anordnung der Gene im Genom und ihrer betreffenden Expressionsdomänen im Embryo ist sehr ungewöhnlich, denn meist sind die an einem Entwicklungsprozess beteiligten Gene ohne ersichtliche Strukturierung über das Genom verteilt. Interessanterweise sind die Hox-Gene und ihre Anordnung in einem Gencluster bei allen vielzelligen Tieren mit segmentalem Körperbau hoch konserviert.
Mutationen oder Fehlexpression von Hox-Genen können zur Fehlspezifizierung einzelner Abschnitte führen. So führt die Deletion von Hoxa8 bei der Maus zur Bildung einer lumbalen Rippe, da der L1-Wirbel dann die Identität eines thorakalen Wirbels annimmt.
Extremitätenentwicklung
Ähnliche Musterungsprozesse wie im Rumpf finden sich in den Extremitäten. Hier ist es neben den Hox-Genen v.a. Shh (Sonic hedgehog), das nur im posterioren Ende der Extremitätenknospe exprimiert wird und so die anterior-posteriore Achse, also die Richtung von Daumen zum kleinen Finger, festlegt. Wird dieses System gestört oder umprogrammiert, so entstehen spiegelbildliche Duplikationen der Finger.
In den Extremitäten wird auch deutlich, dass nicht nur Proliferation und Differenzierung die Entwicklung bestimmen. So kommt der Apoptose bei der Unterteilung der Knorpelkondensate für die Finger- und Handknochen essenzielle Bedeutung zu, ebenso bei der Separierung der Finger durch Apoptose des interdigitalen Gewebes, denn Hände und Füße entstehen zunächst in Form einer paddelartigen Scheibe, die erst später unterteilt wird (Abb. 30.9).

Musterbildung im ZNS

Das Neuralrohr entsteht durch Auffaltung des dorsalen Neuroektoderms und anschließenden Verschluss und Epidermisüberzug. Die Musterbildung im Neuralrohr erfolgt durch gegenläufige Morphogengradienten (Abb. 30.10). Vom dorsalen Ektoderm werden BMP (bone morphogenic proteins) produziert, während Shh (sonic hedgehog) von Zellen des Notochords und der Bodenplatte synthetisiert wird. Die lokale Konzentration der Liganden bewirkt in den dazwischen liegenden neuronalen Zellen eine differenzielle Induktion von Transkriptionsfaktoren. Die kombinatorische Funktion dieser Faktoren spezifiziert dann die Art der neuronalen Zelltypen entlang der dorsoventralen Achse, von ventralen Motoneuronen über Interneurone bis zu verschiedenen, weiter dorsal gelegenen sensorischen Neuronen.
Die Musterbildung im Gehirn läuft nach ähnlichen Regeln ab, jedoch oftmals komplexer. Hier gibt es zusätzliche Signalzentren, die einzelne Regionen organisieren und voneinander abtrennen. Die enorme Größe und Verschaltung erfordern auch einen anderen Aufbau in Schichten. Die Schichtung entsteht durch Proliferation von Vorläuferzellen im zentralen Anteil um die Ventrikel (subventrikuläre Zone) und ein anschließendes Wandern neu gebildeter Zellen durch bestehende Zellschichten hindurch in Richtung der Oberfläche des ZNS.
Laterale Inhibition
In der Neurogenese wurden – zuerst bei der Fruchtfliege Drosophila – interessante biochemische Steuerungsmechanismen entdeckt, welche die gleichmäßige Aufteilung von Zellen auf unterschiedliche Funktionen und Phänotypen gewährleisten. Dies kann durch laterale Inhibition über den Notch-Signalweg erfolgen, der es erlaubt, einzelne Zellen aus einem Verbund zuvor gleichartiger Zellen auszuwählen.
Bei der lateralen Inhibition exprimieren anfangs alle Zellen sowohl Notch-Rezeptoren als auch Delta-Liganden in einem metastabilen Gleichgewicht, wobei eine Aktivierung von Notch eine Hemmung der Delta-Expression in der jeweiligen Zelle bewirkt (Abb. 30.11a). Geringe exogene Einflüsse, aber auch stochastische Variationen können das System zum Kippen bringen: Eine erhöhte Notch-Aktivierung in einer Zelle führt durch die daraus resultierende geringere Delta-Expression zu einer reduzierten Stimulation der Nachbarzellen. In diesen wiederum steigt durch die geringere Notch-Aktivierung die Delta-Expression, und das System kippt. Je nach Zelltyp induziert Notch hierzu verschiedene Repressorproteine, welche die Synthese von Aktivatoren der Delta-Expression, wie z.B. Neurogenin, unterdrücken. Endergebnis ist die Selektion von Einzelzellen mit hoher Delta-Expression, die von Zellen mit geringer Expression umgeben sind. Auf diese Weise können z.B. äquidistant verteilte neuronale Vorläufer aus einer anfangs gleichförmigen Neuroektodermschicht selektioniert werden.
Inzwischen weiß man, dass der Delta-Notch-Signalweg nicht nur eine laterale Inhibition bewirkt, sondern auch Grenzen ziehen kann (Abb. 30.11b) oder induktiv Zellschicksale bestimmt. Mit jeweils mehreren Delta- und Jagged-Liganden und vier Notch-Rezeptoren ist dieser Signalweg an der Entstehung praktisch jedes Organs oder Gewebes des Menschen beteiligt. Notch-Rezeptoren werden nach Aktivierung innerhalb der Transmembranregion proteolytisch gespalten, und nur der intrazelluläre Anteil gelangt in den Zellkern und aktiviert Zielgene (Kap. 22.6.3). Notch-Signale beeinflussen den Zellzyklus, und sie können über Transkriptionsaktivatoren und -repressoren komplette Genexpressionsprogramme steuern.

Muskelentwicklung

Muskelzellen entstehen v.a. aus dorsolateralen Anteilen der Somiten. Zentrale Regulatoren sind dabei die myogenen bHLH-(basic helix-loop-helix)-Transkriptionsfaktoren MyoD und Myf5, die man allgemein als MRFs (muscle regulatory factors) bezeichnet. Sie initiieren die Muskeldifferenzierung, indem sie mit ubiquitären E2A-bHLH-Transkriptionsfaktoren als Heterodimere muskelspezifische Gene aktivieren. Diese Aktivität wird durch MEFs (myocyte enhancing factors), einer weiteren Klasse von Transkriptionsfaktoren, verstärkt. Die Spezifität der Genregulation wird dadurch erreicht, dass meist mehrere Bindungsstellen für MRF und MEF besetzt werden müssen, damit sich große, aktive Transkriptionskomplexe bilden können.
Diese sich teils gegenseitig aktivierenden myogenen Faktoren kontrollieren im Dermomyotom der Somiten die Festlegung des Zellschicksals in Richtung Skelettmuskulatur (Abb. 30.12). Die Induktion dieses Programms ist abhängig von morphogenetischen Molekülen wie Shh, Wnt und BMP, die auf die Somiten einwirken. Im Embryo müssen sowohl Proliferation als auch Migration der Vorläuferzellen miteinander koordiniert werden. Dabei sind die Transkriptionsfaktoren Pax3 und Lbx1 notwendig, damit Myoblasten zu ihren Bestimmungsorten z.B. in den Extremitäten migrieren können. Für den Aufbau der Muskeln muss aber auch eine entsprechende Zellzahl erreicht werden. Wachstumsfaktoren induzieren dazu die Expression sog. Id-Proteine (inhibitor of differentiation). Diesen HLH-Proteinen fehlt eine basische Domäne zur DNA-Bindung, und sie können mit bHLH-Faktoren wie E2A oder MyoD inaktive Heterodimere bilden und so die weitere Differenzierung anhalten, um Zeit für Proliferation zu schaffen.
Erst nach dem Stopp des Zellzyklus werden die Strukturproteine der Muskelzellen gebildet, und die Zellen fusionieren zu Muskelfasern. Diese Differenzierung wird von einem weiteren zentralen Regulator, dem bHLH-Faktor Myogenin, gesteuert.

Hypoxie und Angiogenese

Nahezu alle Zellen des Körpers sind auf eine effiziente Sauerstoffversorgung angewiesen. Da der Sauerstoffpartialdruck im Gewebe rasch abnimmt, muss ein dichtes Netz an Kapillaren zur Verfügung stehen, um Zellen effizient zu versorgen und eine Hypoxie und Zellschädigung zu vermeiden. In der Embryogenese entsteht dazu aus mesodermalen Vorläufern und gesteuert von VEGF-(vascular endothelial growth factor-)Rezeptoren und anderen Tyrosinkinaserezeptoren ein definiertes Netz an Blutgefäßen. Während sich initial Vorläuferzellen zu einem ungeordneten Gefäßnetzwerk zusammenlagern (Vaskulogenese), stehen danach der geordnete Umbau und die gezielte Sprossung (Angiogenese) im Vordergrund. Der entstehende Gefäßbaum ist nur zu einem kleinen Teil genetisch vorprogrammiert und verhält sich somit äußerst plastisch. In den kleinsten Verästelungen gleicht kein Gefäßbaum dem anderen.
Wichtigste treibende Kraft ist die Hypoxie in Geweben, die zu einer Anpassung der Zelle (erhöhte anaerobe Glykolyse, mehr Glucosetransporter, Apoptoseresistenz) und zur Anlockung neuer Blutgefäße führt. Dabei spielt der Hypoxia inducible factor (HIF) als Sauerstoffsensor eine zentrale Rolle (Kap. 12.6.1). Der -Untereinheit kommt hier regulatorische Funktion zu, da sie konstitutiv synthetisiert wird, jedoch sauerstoffabhängig durch Prolyl-Hydroxylasen modifiziert und dadurch anschließend ubiquitiniert und degradiert wird (Abb. 30.13). Nur bei Sauerstoffmangel akkumuliert HIF und kann dann u.a. die Synthese von VEGF induzieren. VEGF wiederum lockt als chemotaktisches und proliferatives Signal Endothelzellen an und leitet somit das Einwachsen von Blutgefäßen ein.
Das gerichtete Einwachsen von Blutgefäßen in hypoxische Areale beruht auf zweierlei Mechanismen (Abb. 30.14):
  • Mehrere der VEGF-Isoformen binden Heparin und können daher im Gewebe nur eingeschränkt diffundieren. Dies führt zum Aufbau eines VEGF-Gradienten, der von Filopodien der auswachsenden Endothelzellen benutzt wird, um die Richtung des Auswachsens festzulegen.

  • Der Delta-Notch-Signalweg stellt sicher, dass nicht alle Endothelien benachbarter Gefäße gleichzeitig aussprossen, sondern dass eine geordnete Gefäßbildung erreicht wird:

    • Die vorausgehende Zelle (Tip cell), die den höchsten VEGF-Konzentrationen ausgesetzt ist, exprimiert den Notch-Liganden Dll4 besonders stark.

    • Die nachfolgenden Zellen (stalk cells) werden durch Stimulation von deren Notch-Rezeptoren umprogrammiert, sodass sie keine Filopodien mehr ausbilden, jedoch unter VEGF-Einfluss stark proliferieren.

Durch diese molekulare Choreographie wird eine effektive Angiogenese sichergestellt. Diese Mechanismen sind jedoch nicht auf die Embryonalentwicklung beschränkt, sondern laufen in ähnlicher Weise auch bei der Wundheilung und Regeneration sowie der Neoangiogenese von Tumoren ab.

Klinik

Die essenzielle Bedeutung von VEGF für die Angiogenese macht man sich bei der Therapie von Tumoren zunutze: Tumoren ab etwa 1 mm Durchmesser sind auf die Versorgung durch neu einsprossende Gefäße angewiesen. Eine reduzierte VEGF-Antwort sollte zu einer verminderten Aktivierung von Endothelien und einer geringeren Neoangiogenese führen. Dies kann erreicht werden durch

  • ein Abfangen von VEGF durch Gabe spezifischer monoklonaler Antikörper oder der extrazellulären Bindungsdomäne des VEGF-Rezeptors, die als lösliches Protein infundiert wird

  • die Gabe von selektiven Inhibitoren der VEGF-Rezeptor-Kinase.

Beide Strategien werden derzeit bereits in der Klinik eingesetzt.

MERKE

Bei der Musterbildung und der Organogenese werden verschiedene Mechanismen eingesetzt. Die Segmentierung des Körpers beruht auf der zyklischen Genexpression, die durch einen biochemischen Oszillator gesteuert wird. Im Rückenmark sind es v.a. Gradienten von BMP und Shh, die eine Spezifizierung neuronaler Subtypen induzieren. Im Zellverband kommt oftmals die laterale Inhibition zur Selektion von Einzelzellschicksalen zum Tragen. Die Muskelentwicklung wird u.a. durch die kombinatorische Funktion myogener Transkriptionsfaktoren gesteuert, während bei der Angiogenese neben proliferatorischen und chemotaktischen VEGF-Funktionen auch pleiotrope Funktionen durch den Hypoxia inducible factor (HIF) und wiederum Notch-Signale zum Einsatz kommen.

Reaktivierung embryonaler Prozesse

Einzelne Schritte der Differenzierung können auch im adulten Individuum wieder aktiviert sein. Dies tritt z.B. in Form einer Reexpression fetaler Gene auf, die nach Schädigung des Herzens oder nach tubulärer Nierenschädigung induziert wird. Die Regeneration kann also die genetischen Programme der Embryogenese nutzen. Häufig bildet sich bei Säugern jedoch funktionell insuffizientes Ersatzgewebe, da der Rückgriff auf embryonale Mechanismen zumeist nur eingeschränkt möglich und erfolgreich ist.

Regeneration

Niedere Wirbeltiere besitzen eine faszinierende Fähigkeit zur Regeneration. So können Salamander den kompletten Verlust von Gliedmaßen durch Regeneration ausgleichen. Unter einer epidermalen Schutzkappe können die lokal vorhandenen differenzierten Zellen in ein embryonales Blastem dedifferenzieren und die embryonale Entwicklung der Struktur rekapitulieren.
Kompensatorische Regeneration der Leber
Eine Regeneration ist beim Menschen in der Leber möglich. Nach partieller Hepatektomie erreicht das Organ wieder die ursprüngliche Größe, es wird jedoch nicht die vorherige Struktur, sondern nur die Masse wiederhergestellt. Die Zellen dedifferenzieren nicht, sondern es sind die ausgereiften Zellen, die erneut proliferieren, während sie ihre regulären Funktionen weiterhin wahrnehmen. Nur in beschränktem Umfang werden Gene der embryonalen Leberentwicklung reaktiviert. Wichtigster Mediator dieser Regeneration ist HGF (hepatocyte growth factor).
Ersatzgewebe vs. Regeneration
Die Reparatur größerer Schäden der übrigen Gewebe oder Organe des Menschen erfolgt oft durch Mechanismen, die funktionell minderwertige Ersatzstrukturen hervorbringen. Häufig ist es Bindegewebe, das Funktionsgewebe ersetzt. Die rasche Vernarbung von Defekten durch Proliferation von Fibroblasten ist zwar geeignet, um eine schnelle Schadensbegrenzung zu erreichen, jedoch verhindert dies möglicherweise den langsamer erfolgenden Aufbau funktioneller Strukturen. Ein möglicher Ausweg könnte in der gezielten Stimulation embryonaler Entwicklungsprozesse oder der Bereitstellung entsprechender Vorläuferzellen liegen. Daher wird in der Stammzellforschung versucht, sowohl embryonale Signalketten besser zu verstehen als auch gezielt Ersatzzellen aus embryonalen oder adulten Stammzellen zu generieren.
Regeneration aus Stammzellen
Menschliche Stammzellen sind durchaus in der Lage, auf entsprechende Stimuli zu reagieren und zu proliferieren. Bei Blutverlust werden die hämatopoetischen Stammzellen aktiviert. Aber auch andere Gewebe mit hohem Zellumsatz, wie die Haut oder Schleimhäute, sind in der Lage, mithilfe von residenten Stammzellen Funktionsgewebe neu zu bilden. Auch bei tubulären Nierenschädigungen durch verschiedene Noxen findet sich eine starke Induktion des ursprünglichen embryonalen Genexpressionsprogramms, das hilft, Tubuli zu regenerieren. Selbst im Herzen zeigt sich eine Reaktivierung embryotypischer kardialer Gene nach Ischämie. Jedoch sind diese Mechanismen meist nicht in der Lage, komplexe Strukturen mit Beteiligung verschiedener Zelltypen wiederherzustellen.
Generell ist die Regeneration eines Gewebes, das physiologischerweise einen gewissen Zellumsatz aufweist, leichter möglich, da gewebespezifische Stammzellen in entsprechenden Nischen vorgehalten werden (Beispiele: Haut, Darm, Hämatopoese). Fehlen jedoch typische Stammzellen oder kommt es zum Verlust von Organisationsstrukturen (größere Verbrennungen, Infarkte), so ist eine Restitutio ad integrum eher unwahrscheinlich, und Ersatzgewebe entsteht.

Klinik

Einige Tumoren sezernieren Proteine, die üblicherweise nur im Embryo in größerer Menge vorkommen, sog. onkofetale Antigene. Beispiele sind das karzinoembryonale Antigen (CEA, ein Zelladhäsionsmolekül) und das -Fetoprotein (AFP). Sie sind oft bei Tumoren von Kolon, Mamma und Lunge bzw. Leber erhöht. Da teilweise auch normale Zellen eines Menschen diese Proteine an das Blut abgeben können, ist der diagnostische Wert stark eingeschränkt. CEA eignet sich z.B. überhaupt nicht für die Früherkennung von Kolonkarzinomen, jedoch für deren Verlaufskontrolle, um früh Metastasen und Rezidive zu entdecken, die klinisch noch unerkannt bleiben.

EMT und MET

Epithelial-mesenchymale Transformation (EMT) beschreibt den Vorgang, bei dem sich polarisierte Epithelzellen aus dem Zellverband lösen, einen mesenchymalen Phänotyp annehmen und motil werden. Unter MET (mesenchymal-epitheliale Transformation) versteht man die Rückumwandlung in epitheliale Zellen.
Die Gastrulation ist die erste Umwandlung von epithelialen in mesenchymale Zellen im Embryo (Kap. 30.1.1). Durch Invagination der ektodermalen Zellen am Hensen-Knoten und am Primitivstreifen entstehen mesenchymale Zellen, die sich unter dem darüberliegenden Ektoderm ausbreiten. Auch die später entstehenden Neuralleistenzellen, die sich bei der Bildung des Neuralrohrs an der dorsalen Seite ablösen, machen diese Umwandlung durch und beginnen zu wandern. Sie verteilen sich dabei über den gesamten Körper, um schließlich zu Zellen des peripheren und autonomen Nervensystems, Knorpel und Knochen des Gesichtsschädels oder zu Melanozyten der Haut zu differenzieren.
Die Wanderung der neu gebildeten mesenchymalen Zellen wird bestimmt durch Verlust der Zelladhäsionsmoleküle und Reorganisation des Zytoskeletts. Über Anziehung bzw. Abstoßung durch unterschiedliche Ligandenmoleküle und ECM-Interaktionen finden die Zellen schließlich ihren Bestimmungsort.
EMT ist somit ein fundamentaler Prozess während der Entwicklung des Embryos, spielt aber auch im adulten Organismus eine wichtige Rolle. So werden bei Regenerationsvorgängen, der Wundheilung und insbesondere bei fibrotischen Prozessen, z.B. bei chronischer Hepatitis oder Pankreatitis, epitheliale Zellen zu Fibroblasten umgewandelt.
Plastizität von Tumorzellen
Besondere Bedeutung erlangt der Prozess der EMT auch bei der Metastasierung von Karzinomen. In vielen Fällen scheinen das Auswandern und invasive Wachstum von Tumoren durch die Ausbildung eines mesenchymalen Phänotyps der Zellen stark gefördert oder gar erst ermöglicht zu werden. Für die Fernmetastasierung benötigen zirkulierende Tumorzellen zudem einen effektiven Mechanismus zum Verlassen der Blutbahn und zur Invasion am Zielort. Tumorzellen durchlaufen daher zumeist zwei Umwandlungen, EMT, gefolgt von MET, denn Metastasen besitzen in der Regel wieder den epithelialen Charakter des Primärtumors (Abb. 30.15).
In den Tumorzellen kommt es bei der MET zu einer Reduktion der Expression epithelientypischer Proteine (z.B. E-Cadherin) und der Induktion mesenchymaler Proteine wie Vimentin oder SMA (smooth muscle actin). Während das Zytokin TGF- in frühen Tumorstadien meist antiproliferativ und tumorsupprimierend wirkt (Kap. 23.2.1), fördert es in etablierten Tumoren die Metastasierung durch die Unterstützung von EMT. Migrierende Tumorzellen können sich nicht in allen Geweben ansiedeln, sondern sind auf Wachstumsfaktoren, Zellinteraktionen oder ECM-Komponenten angewiesen. Dies bedingt den Tropismus von Tumorzellen verschiedener Ursprungsgewebe zu jeweils bevorzugten Metastasierungsorten.

MERKE

Bei Zell- und Gewebeschädigung kann eine Reparatur oder Regeneration durch Rückgriff auf embryonale Genexpressionsprogramme und die Aktivierung residenter Stammzellen erfolgen, oder es kommt zum Ersatz durch Bindegewebe. Je nach Organ werden diese Wege in sehr unterschiedlichem Umfang genutzt. Entscheidend ist hierbei oft die Umwandlung epithelialer in migrierende mesenchymale Zellen (EMT), ein Prozess, der auch in der Embryogenese sowie der Tumorausbreitung und Metastasierung eine zentrale Stellung einnimmt.

Alterung

Die dramatisch angestiegene Lebenserwartung der Menschen, insbesondere im vergangenen Jahrhundert, lässt die Probleme des Alterns jetzt umso offenkundiger werden. Die Zeichen der Alterung sind extrem vielfältig und betreffen alle Ebenen des Lebens:
  • Auf dem Niveau der Organe sind dies Reduktion der neurokognitiven und sensorischen Fähigkeiten, endokrine Veränderungen, reduzierte Immunabwehr, verminderte kardiovaskuläre Leistungsfähigkeit, Muskelabbau, Haut- und Bindegewebsveränderungen, Osteoporose und erhöhte Tumorinzidenz.

  • Auf zellulärer Ebene wird Altern meist mit dem sog. Hayflick-Limit in Verbindung gebracht. Leonard Hayflick konnte in den 60er Jahren des 20. Jahrhunderts zeigen, dass menschliche embryonale Zellen in Kultur nach ca. 50 Teilungen entweder absterben oder zumindest ihre Proliferationsfähigkeit irreversibel verlieren (Seneszenz). Es ist jedoch unwahrscheinlich, dass dies mit dem menschlichen Altern gleichzusetzen ist. Vielmehr könnte es eine Schutzfunktion vor der Tumorentstehung sein, da sich mit steigender Zahl der Zellteilungen DNA-Schäden anhäufen.

  • Auf molekularer Ebene unterliegen auch Makromoleküle den Alterungsprozessen. Zellen seneszenter Gewebe enthalten vermehrt veränderte Proteine (fehlgefaltet, quervernetzt, nitrosyliert, sulfoxidiert etc.) und oxidierte Lipide (Lipidperoxide). Letztere finden sich als Lipofuscin in tertiären Lysosomen, die als braunes Alterspigment in Zellen vorkommen. Das Genom weist häufig Zeichen der Instabilität auf mit strukturellen Aberrationen und vermehrten Mutationen. Auch die Verkürzung der Telomere trägt vermutlich zur Begrenzung der Teilungsfähigkeit von Zellen bei (Kap. 23.2.3).

Schon gewusst

Die genetische Ausstattung eines Individuums kann den Alterungsprozess deutlich beeinflussen. Ist Alterung damit durch die Evolution genetisch aktiv vorprogrammiert? Eher nicht, denn in den meisten natürlichen Populationen ist der Tod durch andere Lebensumstände und Gefahren sehr viel wahrscheinlicher, als dass eine effektive Selektion genetischer Faktoren jenseits des Reproduktionsalters noch erfolgen könnte. Es gibt jedoch das Gegenargument, dass ein gezielt alternder Organismus seinen Nachkommen einen direkten Nahrungskonkurrenten erspart und ihnen somit einen Selektionsvorteil verschafft.

Molekulare Phänomene des Alterns

Die tägliche Beanspruchung trifft Gewebe, deren Zellen nicht ersetzt werden, besonders stark. Nichtepitheliale Zellen des Darms besitzen eine mittlere Lebensdauer von immerhin ca. 15 Jahren, während im Kleinhirn das Zellalter praktisch dem Lebensalter entspricht, also kein nennenswerter Ersatz erfolgt. Eine Kompensation jeglicher Schädigung langlebiger Zelltypen kann also nur begrenzt oder gar nicht erfolgen.
Es gibt verschiedene Ansätze, die Ursachen und Effekte der Alterung mechanistisch zu erklären. Diese reichen von der Akkumulation stochastischer Schädigung aller Zellkomponenten über genetische Instabilität und Schädigung durch Radikale bis zur mitochondrialen Dysfunktion, auf die nachfolgend noch genauer eingegangen wird. Vermutlich tragen alle diese Prozesse jeweils mit unterschiedlicher Gewichtung zum Endresultat der Alterung bei.
Das wohl zutreffendste Szenario ist die Akkumulation von Schädigungen der DNA, aber auch anderer Makromoleküle, v.a. durch reaktive Sauerstoffspezies (ROS), die größtenteils dem mitochondrialen Stoffwechsel entstammen (Kap. 6.5). Es gibt jedoch große Unterschiede in der Art und Weise, wie diese Noxen entstehen und wie Zellen mit dieser Schädigung umgehen bzw. inwieweit sie in der Lage sind, sie zu beheben.
Progerie als Modell des Alterns
Für die Erforschung von Alterungsprozessen bedient man sich oft unterschiedlicher Modellorganismen mit kürzerer und damit experimentell besser handhabbarer mittlerer Lebensdauer. Schon einfache Einzeller wie Hefen zeigen Alterungsprozesse, und Fruchtfliegen oder Fadenwürmer weisen bereits ein ganzes Spektrum an Alterungsphänomenen auf. Ein besonderes Interesse gilt jedoch der Maus als genetisch manipulierbarem und dem Menschen nahe stehenden Säugerorganismus. Darüber hinaus kennt man beim Menschen eine Reihe seltener Erkrankungen, die mit Zeichen vorzeitigen Alterns einhergehen und auf diesem Wege wertvolle Einsichten erlauben.
Menschliche Erkrankungen, die mit vorzeitiger Alterung einhergehen, werden korrekterweise als segmentale progeroide Syndrome bezeichnet (Tab. 30.1), da sie i.d.R. nicht das komplette Spektrum altersabhängiger Veränderungen aufweisen. Das wohl spektakulärste Bild zeigt die Hutchinson-Gilford-Progerie, bei der es bereits im Kleinkindalter infolge einer Mutation des Lamin-A-Gens zur progressiven Alterung kommt. Zellen von Progeriepatienten weisen eine stark veränderte Zellkernmorphologie mit Ausbuchtungen der Kernmembran, verdickter Kernlamina, Clusterung der Kernporen und Verlust des peripheren Heterochromatins auf. Es ist jedoch unklar, wie die Veränderung der Kernlamina und die vermutlich gestörte Anheftung von Telomeren an die Lamina (Kernhülleninnenfläche) zur Alterung beitragen. Überraschenderweise können Mutationen an anderer Stelle im Lamin-A-Gen völlig verschiedene Erkrankungen hervorrufen, sodass man abhängig vom Mutationsort ein Spektrum von sog. Laminopathien (Kap. 16.2.3) erhält.
Alle anderen genetischen Defekte, die mit vorzeitiger Alterung einhergehen, betreffen mehr oder weniger offensichtlich die Genomintegrität. Dazu zählen (Tab. 30.1):
  • Defekte der Nucleotidexzisionsreparatur

  • eine unzureichende Telomeraseaktivität

  • chromosomale Instabilität durch Defekte der Erkennung und Reparatur von Doppelstrangbrüchen oder Quervernetzungen der DNA-Stränge

  • eine beeinträchtigte Rekombinationsreparatur.

In der Mehrzahl der Erkrankungen treten die Alterungssymptome erst im Erwachsenenalter auf. Viele, aber nicht alle dieser Erkrankungen zeigen auch eine erhöhte Tumorinzidenz.
Progeroide Syndrome zeigen sehr deutlich, dass die Beeinträchtigung der Genomintegrität auf verschiedenen Ebenen ein zentraler Bestandteil des Alterungsprozesses ist. Dennoch gibt es keine Evidenz, dass die dabei betroffenen Gene direkt das menschliche Altern steuern. Dies dürfte vielmehr auf einer Vielzahl exogener und endogener Schäden basieren, deren Häufigkeit und Korrektur von genetischen Determinanten mit bedingt werden.
Mitochondriale Defekte und Altern
Im Mausmodell führen Defekte der mitochondrialen DNA-Polymerase zu einer erhöhten Mutationsrate der mitochondrialen DNA und zu vorzeitiger Alterung. Auch beim Menschen steigt die Zahl der Mutationen, insbesondere der Deletionen, in der mitochondrialen DNA mit dem Alter stark an. Dies dürfte zu mehr oder minder starken funktionellen Einschränkungen der Mitochondrien führen. Ursache ist vermutlich, dass mitochondriale DNA im Vergleich zur nucleären DNA wenig geschützt in einem Umfeld mit hochaktiven biochemischen Reaktionswegen und deren teils reaktiven Intermediaten vorliegt. Insbesondere den reaktiven Sauerstoffspezies kommt hier eine Schlüsselrolle zu (Abb. 30.16). Dementsprechend fußt die mitochondriale Theorie des Alterns auf einer Dysfunktion der Atmungskette mit einer erhöhten Produktion von ROS und einer Akkumulation von Mutationen der DNA.
Oxidativer Stress
Oxidativer Stress geht zu etwa 90% von den Mitochondrien aus. Man schätzt, dass bereits unter normalen Umständen etwa 1–2% des Elektronenflusses in der Atmungskette zu Sauerstoff fehlgeleitet werden und Superoxidanionen (O2•-) als primäre Sauerstoffradikale generieren. Daraus können H2O2 und das Hydroxylradikal OH entstehen. Eine ausführliche Beschreibung der Reaktionswege findet sich in Kap. 6.5. Zwar gibt es auch im Zytosol eine Reihe von Reaktionswegen, die ROS generieren können [NAD(P)H-Oxidasen, Xanthin-Oxidase], jedoch ist deren Beitrag als weit geringer einzustufen.
ROS können alle Komponenten einer Zelle schädigen (Abb. 30.16), u.a. durch Lipidperoxidation (Kap. 7.2.1), Proteinmodifikation (Nitrosylierung, Sulfoxidierung) oder die Bildung von 8-Oxo-Guanin in der DNA (Kap. 14.2.2), und sie können sogar eine Apoptose der Zellen induzieren (Kap. 23.3.1). Zellen haben dagegen Schutzmechanismen wie Superoxid-Dismutase, Glutathion-Peroxidase und Katalase etabliert (Kap. 6.5.1), und sie nutzen die antioxidative Wirkung von Vitamin C und E, Glutathion oder auch Bilirubin.
Dennoch dürfen ROS nicht nur als Gefahr für den Organismus gesehen werden. Sie dienen gleichzeitig als Auslöser von Signalkaskaden, und viele Enzyme oder auch Transkriptionsfaktoren werden über ihren Redoxzustand reguliert, sodass nur bei einer überschießenden ROS-Bildung die Schädigung überwiegt.

Strategien für ein langes Leben?

Neben der Ursachenforschung über das Altern steht die Suche nach Möglichkeiten, dieses aufzuschieben und seine Auswirkungen zu minimieren, immer mehr im Vordergrund des öffentlichen Interesses. Die multifaktoriellen Ursachen lassen es auf den ersten Blick aussichtslos erscheinen, die Lebensspanne zu verlängern, jedoch gibt es inzwischen einige Beispiele, dass, zumindest oberflächlich betrachtet, dieses Ziel erreichbar sein könnte.
Kalorienrestriktion
Allein durch Reduktion der Kalorienzufuhr kann bei Drosophila und C. elegans eine signifikante Verlängerung der mittleren und maximalen Lebenserwartung erreicht werden. Auch bei Nagern erhöht sich im Labor die Lebensspanne unter Kalorienrestriktion um 25–80%. Nicht die veränderte Energiezufuhr per se, sondern die geringere Aktivierung insbesondere der Insulin- und IGF1-Signaltransduktion scheint hierfür ausschlaggebend zu sein.
Gene für die Langlebigkeit?
Inzwischen sind mehrere Gene bekannt, deren Modulation in verschiedenen Spezies eine Verlängerung der Lebensdauer bewirkt. Einige dieser Faktoren interagieren mit dem Insulin/IGF1-Signalweg (Abb. 30.17 und 30.18):
  • Aktivierung des Energiestoffwechsels durch Insulin/IGF1 verursacht indirekt durch die erhöhte Stoffwechselaktivität und direkt durch die Aktivierung des Adapterproteins p66shc einen Anstieg von ROS. Letztere können Zellschädigung verursachen, und sie können Zellen in die Apoptose treiben und so Organfunktionen beeinträchtigen.

  • Kalorienrestriktion dagegen induziert SIR2 in Hefe bzw. Sirt1 bei Vertebraten. Als NAD-abhängige Deacetylasen können sie Histone oder Transkriptionsfaktoren wie Fox0 deacetylieren und dadurch in ihrer Aktivität steuern. Fox0-Proteine induzieren eine Reihe von zellulären Antworten, die sowohl mit einer höheren metabolischen Stressresistenz als auch einer höheren genetischen Stabilität einhergehen.

Schon gewusst

Der positive Effekt von SIR2/Sirt1 (auch Sirtuine genannt) auf Alterungsprozesse lässt die pharmakologische Beeinflussung des Proteins interessant erscheinen. In der Tat konnten Polyphenole als Sirt1-Aktivatoren identifiziert werden. Resveratrol, das in Traubenschalen und aufgrund der Maischegärung besonders in Rotwein in größerer Konzentration vorkommt, ist ein solches Polyphenol. Im Tierversuch mit Mäusen konnte es die Effekte einer ungesunden Ernährungsweise stark reduzieren, und die Lebenserwartung der Mäuse stieg an. Wenngleich Resveratrol damit als erster Kandidat für einen Anti-Aging-Wirkstoff bezeichnet wurde, muss der Erfolg einer solchen Intervention erst in umfangreicheren Studien validiert werden. Bei alleiniger Zufuhr über Rotwein wäre ein früher Tod durch Alkohol der wahrscheinlichere Ausgang.

Sind Strategien wie Kalorienrestriktion oder Beeinflussung der o.g. Gene und Proteine aus dem Alterungsprozess ein Weg zum Jungbrunnen? Vermutlich nur bedingt, denn wie so oft gibt es auch hier Schattenseiten. Eine Kalorienrestriktion war in der Vergangenheit auch mit anderen Indikationsstellungen (weniger Herzinfarkte, Diabetes etc.) nur begrenzt umsetzbar, vermutlich weil wir in der Evolution eher auf die Prävention des Verhungerns programmiert wurden und instinktiv Nahrung zu uns nehmen, solange sie verfügbar ist. Die beteiligten genetischen Faktoren sind zudem eingebunden in komplexe Netzwerke der Genregulation, Proliferationskontrolle, Seneszenz oder Redoxkontrolle. So könnte eine Aufhebung der Seneszenz, also des irreversiblen Verlusts der Teilungsfähigkeit von Zellen, sicher zu einer Stärkung des regenerativen Potenzials und damit der Langlebigkeit beitragen. Gleichzeitig würde damit jedoch ein wichtiger Schutzmechanismus vor der Tumorentstehung außer Kraft gesetzt, der dafür sorgt, dass Zellen mit DNA-Schäden oder aktivierten Onkogenen sich nicht weiter teilen können.

MERKE

Alterung beruht auf Schädigungen auf molekularer, zellulärer und organismischer Ebene. Genetisch bedingte Erkrankungen mit vorzeitiger Alterung deuten auf eine wichtige Rolle der genomischen Stabilität hin. Eine entscheidende Rolle scheinen reaktive Sauerstoffspezies zu spielen, die v.a. in Mitochondrien generiert werden. Inzwischen sind einige der Signalwege der metabolischen Steuerung, wie z.B. der Insulin/IGF1-Weg, bekannt, die für das Fortschreiten von Altern mitverantwortlich sind. Damit scheint auch der positive Effekt einer Kalorienrestriktion auf Alterungsprozesse erklärbar.

Zusammenfassung

Zelluläre Grundlagen

Die embryonale Entwicklung beruht auf dem Zusammenspiel von Zellwachstum, Differenzierung und dem Signalaustausch zwischen Zellen untereinander und mit ihrer Umgebung. Aus einer totipotenten Zygote entstehen schrittweise immer weiter spezialisierte und in ihrer Entwicklungsfähigkeit eingeschränkte Zellen. Fundamentale Zellschicksalsentscheidungen fallen v.a. in der Gastrulation mit der Bildung der Keimblätter, durch die Ausbildung der Körperachsen und schließlich in der Organogenese.

Stammzellen und asymmetrische Teilung

Die symmetrische Zellteilung ist der Regelfall. Bei den seltenen asymmetrischen Teilungen besitzen die Nachkommen durch ungleiche Verteilung von Zellkomponenten oder ungleiche räumliche Anordnung verschiedene Zellschicksale, wie z.B. Verbleib als Stammzelle vs. Proliferation und Differenzierung. Stammzellen werden meist durch entsprechende Nischen mit vermutlich juxtakrinen Signalen oder anderen Botenstoffen teils lebenslang im undifferenzierten Zustand gehalten. Embryonale Stammzellen sind pluripotent, während adulte, gewebespezifische Stammzellen meist nur multi- oder unipotent sind.

Signalprozesse

Für die Differenzierung von Zellen sind die Induktion über externe Stimuli und die Kompetenz der Zellen zur entsprechenden Reaktion entscheidend. Vor allem para- und juxtakrine Signalmoleküle spielen in der Embryogenese eine wichtige Rolle, wie z.B. FGF-, Wnt-, Hedgehog- oder TGF--Liganden sowie die membranständigen Liganden für Notch- und Ephrin- sowie andere Tyrosinkinaserezeptoren. Einige der Faktoren können als Morphogengradienten konzentrationsabhängige Zellantworten auslösen. Darüber hinaus sind auch Zelladhäsionsmoleküle und Zell-Matrix-Interaktionen an der Steuerung der Entwicklung beteiligt.

Mechanismen der Differenzierung

Die Rechts-links-Asymmetrie im Körperbau wird durch rotierende Zilien im Hensen-Knoten induziert, die Grundlage für eine nachfolgende asymmetrische Genexpression sind. Die metamere Gliederung der Körperachse wird durch ein molekulares Uhrwerk kontrolliert, das u.a. den Notch-Signalweg und sich selbst reprimierende bHLH-Transkriptionsrepressoren umfasst.
Die einzelnen Körpersegmente werden durch überlappende Expressionsdomänen der Homeobox-(Hox-)Transkriptionsfaktoren in ihrer Identität festgelegt. Entsprechende Muster finden sich entlang der anterior-posterioren Achse, in den Extremitäten oder auch im ZNS. Die Selektion einzelner Zellen aus Clustern von Vorläufern oder die Definition scharfer Grenzen erfolgt häufig durch Aktivierung des Notch-Signalwegs. Spezifische Kompartimente wie die Muskulatur oder Blutgefäße werden durch übergeordnete Transkriptionsfaktor- und Signalkaskaden definiert. So entstehen aus mesodermalen Vorläufern über MyoD/Myf5-Stimulation und weitere Faktoren Skelettmuskelzellen. Hypoxie bewirkt eine Stabilisierung von HIF-Protein, wodurch die Expression von VEGF induziert wird. Gradienten von VEGF und Notch-Signale ergeben dann ein gerichtetes Auswachsen von Kapillaren in der Angiogenese.

Regeneration und Plastizität

Viele embryonale Prozesse können später bei Reparaturvorgängen reaktiviert werden. Eine echte Regeneration durch Stammzellen oder durch Dedifferenzierung reifer Zellen ist nur eingeschränkt möglich. Häufig erfolgt ein bindegewebiger Ersatz. EMT (epithelial-mesenchymale Transformation) wandelt stationäre epitheliale Funktionszellen in migrationsfähige Zellen um und ist ein zentrales Prinzip vieler Entwicklungsvorgänge, aber auch bei der Wundheilung oder der Invasion und Metastasierung von Tumoren.

Alterung und Langlebigkeit

Alternde Zellen akkumulieren Schäden aller Zellbausteine – der Proteine, Lipide und insbesondere der DNA. Ursache sind v.a. oxidative Schäden durch Sauerstoffradikale, die insbesondere durch mitochondriale Dysfunktion entstehen. Segmentale progeroide Syndrome deuten auf eine wichtige Rolle der Genomstabilität und -integrität, die durch Enzyme der DNA-Schadensantwort und -Reparatur vermittelt wird. Die Seneszenz begrenzt die Teilungsfähigkeit individueller Zellen und trägt so zur Reduktion des Risikos einer Tumorbildung bei. In vielen Spezies führt eine Kalorienrestriktion zu erhöhter Lebenserwartung. Eine erhöhte Aktivität des Insulin/IGF1-Signalwegs scheint zu vermehrter ROS-Produktion und Alterung zu führen, während Kalorienrestriktion durch vermehrte Sirtuin-Aktivität (Sirt1) die Stressresistenz und genetische Stabilität fördert.

Fragen

  • 1.

    Wie finden Spermien zu einer Eizelle?

  • 2.

    Wo wird der Mechanismus der asymmetrischen Teilung eingesetzt?

  • 3.

    Was sind Charakteristika von Morphogengradienten?

  • 4.

    Durch welchen grundlegenden Mechanismus wird die Rechts-links-Asymmetrie des Körperbaues festgelegt?

  • 5.

    Wie kann ein einzelnes Gen zyklisch exprimiert werden?

  • 6.

    Was besagt der Terminus der lateralen Inhibition?

  • 7.

    Welcher Mechanismus liegt dem zellulären Sauerstoffsensor zugrunde?

  • 8.

    Was sind die Konsequenzen von EMT bei epithelialen Zellen? Nennen Sie physiologische und pathologische Beispiele.

  • 9.

    Welche Mechanismen spielen bei vorzeitiger Alterung im Rahmen segmentaler progeroider Syndrome eine Rolle?

  • 10.

    Welche Funktion besitzen Mitochondrien im Alterungsprozess?

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