Wissenschaftler der Hebräischen Universität finden den elementarsten Bauplan für die Bildung von Embryozellen. Das Team identifiziert 14.000 Stellen im Genom von embryonalen Stammzellen, die die Entwicklung aller embryonalen Organe steuern.

 

(Jerusalem, 14. Juli 2022) - Eine bahnbrechende Studie unter der Leitung der Professoren Yossi Buganim vom Institut für medizinische Forschung der Hebräischen Universität Jerusalem (HUJ) und Tommy Kaplan von der School of Computer Science and Engineering und der Abteilung für Computerbiologie der HU hat 14.000 einzigartige Stellen in der DNA entdeckt, die zusammen den elementarsten Bauplan für die Embryogenese - die Entstehung von Embryonen - bilden.  Ihre Ergebnisse wurden in «Nature Communications» veröffentlicht.

 

Im Jahr 2006 fügten japanische Wissenschaftler vier embryonale Gene in Hautzellen ein und programmierten diese Hautzellen erfolgreich so um, dass sie sich wie embryonale Stammzellen verhalten. Künstliche embryonale Stammzellen aus Hautzellen sind identisch mit natürlichen Stammzellen, die sich in den frühesten Stadien der Embryonalentwicklung entwickeln und für die Entwicklung aller Zellen eines Fötus verantwortlich sind. Allerdings können sie keine extraembryonalen Gewebe wie die Plazenta bilden.

 

Im Jahr 2015 entdeckten Prof. Buganim und sein Team als erste, wie man aus Hautzellen künstliche Plazentastammzellen herstellen kann. Dieser Schritt ermöglichte es den Wissenschaftlern, die beiden frühesten Arten von Stammzellen im embryonalen Entwicklungsprozess zu erzeugen, der direkt nach der Befruchtung einer Eizelle durch Spermien stattfindet. In der aktuellen Studie untersuchte das HU-Forschungsteam, zu dem auch die Doktoranden Mohammad Jaber, Ahmed Radwan und Netanel Loyfer gehörten, den Prozess, den Hautzellen durchlaufen, um sich entweder in embryonale oder plazentare Stammzellen zu verwandeln. 

«Wir analysierten die Veränderungen, die Hautzellen durchlaufen, um ihre Identität zu ändern und zu einer der beiden frühesten Arten von Stammzellen zu werden.  Wir untersuchten Veränderungen in der Genexpression der Hautzelle, in der Zugänglichkeit und Aktivität der DNA im Kern der sich verändernden Hautzelle und in den epigenetischen Markern (d. h. Markierungen, die die DNA ausschmücken und für die Genexpression verantwortlich sind).  All diese Faktoren sind entscheidend, wenn man versucht, eine Hautzelle in eine künstliche embryonale oder plazentare Stammzelle umzuwandeln», erklärte Buganim. 

Die Forscher fanden heraus, dass die Veränderungen, die in Hautzellen stattfinden, um entweder embryonale oder plazentare künstliche Stammzellen zu werden, auf jeder Ebene völlig unterschiedlich sind, obwohl beide als Hautzellen begannen.

Wenn sich eine Hautzelle in eine künstliche embryonale Stammzelle verwandelt, beginnen die Teile der DNA, die für die Bildung von Gehirn, Herz und Leber verantwortlich sind, sich neu zu organisieren und sich darauf vorzubereiten, sich - bei einem entsprechenden Signal - in Gehirn-, Herz- oder Leberzellen zu differenzieren.  Bei der Umwandlung derselben Zellen in eine künstliche Plazenta-Stammzelle hingegen begannen sich die DNA-Stellen umzuorganisieren, damit sich die veränderte Zelle einnisten und Blutgefäße anziehen konnte - ein Phänomen, das auch in der Natur vorkommt und dem Embryo die Einnistung in die Gebärmutter ermöglicht.

Die bemerkenswerteste Entdeckung machte das Team, als es die beiden Prozesse Seite an Seite verglich und ein chemisches Molekül namens Methyl untersuchte, das mit bestimmten Bereichen der DNA interagiert und für die Unterdrückung ihrer Expression verantwortlich ist. «Wir entdeckten, dass die künstlichen Plazenta-Stammzellen fast 14.000 DNA-Stellen mit Methyl enthielten, die in den künstlichen embryonalen Stammzellen nicht zu finden waren», berichtet Buganim.

Als das Forschungsteam versuchte, die Bedeutung dieser DNA-Bereiche zu verstehen, fanden sie heraus, dass sie für die Bildung aller Organe und Zellen in sich entwickelnden Embryonen verantwortlich sind - von Gehirn, Herz, Leber und Nieren bis hin zum Skelett, Rückenmark und Bindegewebe.

 

 

Diese bedeutsame Entdeckung könnte in Zukunft helfen, das embryonale Abwehrsystem zu erklären, das verhindert, dass sich frühe Plazentazellen zu embryonalen Zellen entwickeln. «Da Plazentazellen anfällig für Schäden und Infektionen sind, verhindert der natürliche Abwehrmechanismus des Körpers, dass Plazentazellen in den sich entwickelnden Embryo einwandern und sich mit ihm verbinden, um Teil des Embryos zu werden», erklärte Buganim. Insgesamt beleuchtet diese Studie die wichtigsten Merkmale, die unsere Fähigkeit zur Umprogrammierung von Zellen charakterisieren, und bietet ein leistungsfähiges Instrument zur Untersuchung der zellulären Plastizität und der Entscheidungen über den Zellstatus.

Finanzierung: Europäischer Forschungsrat, Howard Hughes Medical Institute, Israel Science Foundation.

 

Artikel über Prof. Buganim in der Jerusalem Post

Wissenschaftlicher Artikel in Nature Communications