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Forscher aus Berlin und Singapur entschlüsseln Kommunikationsnetzwerk in humanen Stammzellen

02.07.2013
Wissenschaftler des A*STAR Genom-Instituts Singapur (GIS) und des Max-Planck-Instituts für molekulare Genetik (MPIMG) in Berlin haben ein molekulares Netzwerk in menschlichen (humanen) embryonalen Stammzellen (hES-Zellen) entschlüsselt, das Kommunikationssignale der Zellen aufnimmt, um Stammzellen in ihrem besonderen Zellzustand zu erhalten. Die Forscher berichten über ihre Arbeit in der aktuellen Juni-Ausgabe der Zeitschrift Molecular Cell.

Mit der medizinischen Anwendung hES-Zellen verbinden sich große Hoffnungen, daher werden sie von Wissenschaftlern auf der ganzen Welt untersucht. hES-Zellen zeichnen sich dadurch aus, dass sich aus ihnen alle anderen Zellarten bzw. Gewebe eines Organismus entwickeln können.


Kolonie von menschlichen embryonalen Stammzellen (100fache Vergrößerung)
Bild: Jonathan Göke/Genome Institute of Singapore

Diese besondere Eigenschaft wird als Pluripotenz bezeichnet. Für die Aufrechterhaltung der Pluripotenz sind eine Reihe unterschiedlicher Faktoren erforderlich, zu denen unter anderem auch die Verwendung von Kommunikationswegen innerhalb der Zelle gehört.

Die Kommunikation einzelner Zellen untereinander ist eine Schlüsselfunktion von vielzelligen Lebewesen. Damit beispielweise aus dem noch undifferenzierten Gewebe eines Embryos spezifische Organe entstehen können, müssen ganze Gruppen von Zellen bestimmte Signale erhalten und ordnungsgemäß darauf reagieren. Fehler bei der Signalübertragung können dazu führen, dass Zellen falsch reagieren und Krankheiten wie zum Beispiel Krebs entstehen.

Die Kommunikationssignale, die in hES-Zellen verwendet werden, aktivieren eine Kettenreaktion, den sogenannten extrazellulär-regulierten Kinase (ERK)-Pathway. Dieser führt dazu, dass in jeder Zelle genetische Informationen aktiviert werden. Wissenschaftler des GIS und des MPIMG haben jetzt untersucht, um welche genetischen Informationen es sich dabei handelt. Dabei entdeckten sie ein ganzes Netzwerk für molekulare Kommunikation innerhalb der Zellen.

Die Forscher untersuchten, wo ERK2, ein Mitglied der ERK-Familie, mit dem Genom interagiert. Sie fanden heraus, dass ERK2 gezielt nicht-kodierende Gene, Histone sowie spezifische Gene für den Zellzyklus, den Stoffwechsel und die Aufrechterhaltung der Pluripotenz der Stammzellen aktiviert.

Der ERK-Signalweg enthält ausserdem einen Transkriptionsfaktor, ELK1, der mit ERK2 interagiert und dadurch genetische Informationen aktiviert. Interessanterweise fanden die Forscher heraus, dass ELK1 noch eine zweite, völlig entgegengesetzte Funktion haben kann.

An denjenigen Positionen im Genom, die nicht durch ERK2 aktiviert werden, unterdrückt ELK1 die genetische Information und erhält dadurch die Zelle in ihrem undifferenzierten Zustand. Die Autoren gehen davon aus, dass diese zweiseitige Kontrolle der genetischen Aktivität durch ELK1 mit dafür verantwortlich ist, dass eine Zelle im Zustand der Stammzelle verbleibt. Ihre Ergebnisse sind vor allem für Stammzellforscher interessant, unterstützen aber auch die Forschung in anderen benachbarten Gebieten.

„Der ERK-Signalweg ist bereits seit vielen Jahren bekannt, aber dies ist das erste Mal, dass wir das gesamte Spektrum der genomischen Antwort innerhalb der Stammzellen sehen können“, erläutert Jonathan Göke, Wissenschaftler am GIS in Singapur und Erstautor der Studie. „Wir haben eine Vielzahl an biologischen Prozessen gefunden, die mit diesem Signalweg verbunden sind. Zusätzlich konnten wir aber auch einige neue und völlig unerwartete Muster aufklären, wie beispielsweise die Doppelfunktion von ELK1. Sehr spannend wird es jetzt herauszufinden, wie sich dieses Kommunikationsnetzwerk in anderen Zellen und Geweben oder bei Krankheiten verhält beziehungsweise verändert.“

“Besonders beeindruckend ist an dieser Arbeit, wie mit Hilfe der Bioinformatik Informationen aus den experimentellen Daten herausgefiltert werden konnten“, urteilt Martin Vingron, Direktor am Max-Planck-Institut für molekulare Genetik in Berlin und Ko-Autor der Studie. Und Huck Hui Ng, Direktor des A*STAR Genom-Instituts Singapur ergänzt: „Die Ergebnisse sind deswegen so bedeutsam, weil sie das Signal-Netzwerk der Zelle und dessen Einbindung in das übergeordnete Regulationsnetzwerk beschreiben. Das Verständnis der Biologie von embryonalen Stammzellen ist ein erster Schritt, um die Einsatzmöglichkeiten und Grenzen eines medizinischen Einsatzes von embryonalen Stammzellen verstehen zu können.”

Hintergrundinformation:

Über das Genom-Institut Singapur (GIS)
Das Genom-Institut Singapur (GIS) ist eine Forschungseinrichtung der Agentur für Wissenschaft, Technologie und Forschung (Agency for Science, Technology and Research, A*STAR). Die Hauptforschungsrichtungen am GIS umfassen Systembiologie, Stammzellforschung und Entwicklungsbiologie, Biologie von Krebserkrankungen und Pharmakologie, Humangenetik, Infektionskrankheiten, Genomische Technologien sowie Bioinformatik. Das GIS stellt Infrastruktur im Bereich der Genomforschung zur Verfügung, fördert wissenschaftlichen Nachwuchs und fungiert als Brücke zwischen akademischer Forschung und Industrie, um bedeutende wissenschaftliche Fragestellungen zu untersuchen.
www.gis.a-star.edu.sg
www.a-star.edu.sg

Über das Max-Planck-Institut für molekulare Genetik (MPIMG)
Das Max-Planck-Institut für molekulare Genetik (MPIMG) in Berlin ist eine der führenden Genomforschungseinrichungen in Europa und gehört zu den größten Forschungsinstituten der Max-Planck-Gesellschaft. Es umfaßt vier Abteilungen, eine unabhängige Forschungsgruppe sowie eine Reihe von ebenfalls unabhängigen Nachwuchsforschungsgruppen („Otto-Warburg“Laboratorium“).
Die Forschung am MPIMG konzentriert sich auf die Analyse des Genoms des Menschen und anderer Organismen. Damit leistet es einen Beitrag zu einem umfassenden Verständnis biologischer Abläufe im Organismus und zur Aufklärung der molekularen Ursachen vieler menschlicher Erkrankungen. Ziel der gemeinsamen Anstrengungen aller Gruppen des MPIMG ist es, auf molekularem Niveau neue Einblicke in die Entstehung von Krankheiten zu gewinnen, um so zu einer Entwicklung ursachengerechter Behandlungsmethoden beizutragen.

Weitere Informationen:
http://www.gis.a-star.edu.sg
http://www.a-star.edu.sg
http://www.molgen.mpg.de

Dr. Patricia Marquardt | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.molgen.mpg.de

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