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Forscher machen Nerven-Stammzellen der Maus primaten-ähnlich

10.08.2015

Wird die Aktivität eines einzigen Schlüsselgens wie bei einem Menschen verändert, so produziert der Neocortex einer Maus während seiner Entwicklung mehr Nervenzellen

Wenn das richtige Gen auf die richtige Weise in den richtigen Stammzellen aktiv ist, kann ein Mäusegehirn Eigenschaften wie die eines Primaten aufweisen. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für molekulare Zellbiologie und Genetik in Dresden haben die Aktivität des Transkriptionsfaktors Pax6 in Vorläuferzellen für die Nervenzellen der Großhirnrinde von Mausembryonen wie im menschlichen Gehirn nachgeahmt.


Das linke Teilbild zeigt die normale Stärke und zelluläre Verteilung der Aktivität von Pax6 im sich entwickelnden Neocortex. Das rechte Teilbild zeigt ein erhöhtes, Primaten-ähnliches Muster der Pax6-Aktivität im Neocortex eines doppelt transgenen Mäuseembryos. Diese Tiere besitzen mehr Pax6-positive Vorläuferzellen und höhere Pax6-Aktivität in der nahe am Ventrikel gelegenen Keimschicht.

© MPI f. molekulare Zellbiologie & Genetik

Das Verhalten dieser Mauszellen ähnelte daraufhin dem von Vorläuferzellen im sich entwickelnden Primatengehirn. Die Vorläuferzellen produzierten der Maus auch mehr Nervenzellen – eine Voraussetzung für ein größeres Gehirn.

Der stammesgeschichtlich jüngste Teil der Großhirnrinde, der sogenannten Neocortex, enthält während seiner Entwicklung verschiedene Arten von neuralen Stamm- und Vorläuferzellen. Die basalen Vorläuferzellen verhalten sich in Tieren mit kleinen Gehirnen wie der Maus anders als in Lebewesen mit großen Gehirnen wie dem Menschen.

Im Menschen durchlaufen basale Vorläuferzellen mehrere Zellteilungs-Runden, wodurch die Anzahl der Nervenzellen beträchtlich ansteigt und damit auch die Größe des Neocortex. Bei Mäusen teilen sich diese Vorläuferzellen in der Regel nur einmal, was eine geringere Anzahl von Nervenzellen zur Folge hat.

Ein Grund für das unterschiedliche Verhalten der basalen Vorläuferzellen könnte die andersgeartete Aktivität des Transkriptionsfaktors Pax6 sein, denn in basalen Vorläuferzellen von Mäusen ist Pax6 im Gegensatz zum Menschen nicht aktiv. „Wir waren sehr neugierig, was passiert, wenn wir die Aktivität von Pax6 im sich entwickelnden Maushirn der von Tieren mit großen Gehirnen anpassen“, sagt Fong Kuan Wong, Doktorandin im Labor von Wieland Huttner und Erstautorin der Studie.

Zu diesem Zweck entwickelte Ji-Feng Fei, ebenfalls Doktorand in der Forschungsgruppe Huttner, eine neuartige transgene Mauslinie. In diesen Mäusen konnten die Forscher die Aktivität von Pax6 in den Stammzellen der Hirnrinde so ändern, dass sie in den basalen Vorläuferzellen so wie im Menschen aufrechterhalten bleibt.

Tatsächlich bewirkte dies, dass sich die basalen Vorläuferzellen der Mausembryonen nun mehrfach teilen – ähnlich wie in Primaten. Das Ergebnis war nicht nur eine größere Population an basalen Vorläuferzellen, die Tieren mit großem Gehirn ähnelt. Es wurden auch mehr kortikale Nervenzellen produziert, insbesondere für die oberste Schicht der Großhirnrinde – ein weiteres Merkmal eines höher entwickelten Neocortex.

“Die evolutionäre Expansion des Neocortex ist ein Kennzeichen von Lebewesen mit höher ausgebildeten geistigen Fähigkeiten. Unsere Studienergebnisse tragen dazu bei, die molekularen Mechanismen, die dieser Entwicklung zugrunde liegen, besser zu verstehen“, erklärt Wieland Huttner, Forschungsgruppenleiter und Direktor am Max-Planck-Instituts für molekulare Zellbiologie und Genetik.

Die Studie zeigt, wie die veränderte Aktivität eines einzelnen Schlüsselgens kann also einen großen Unterschied in der Gehirnentwicklung ausmachen. Die Herausforderung für die Zukunft wird sein, einen umfassenden und ganzheitlichen Blick auf alle molekularen Veränderungen zu bekommen, die unsere Gehirne so groß gemacht haben.


Ansprechpartner


Prof. Dr. Wieland B. Huttner
Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik, Dresden
Telefon: +49 351 210-1500

Fax: +49 351 210-1600

E-Mail: huttner@mpi-cbg.de


Florian Frisch
Pressebeauftragter

Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik, Dresden
Telefon: +49 351 210-2840

E-Mail: frisch@mpi-cbg.de


Originalpublikation
Fong Kuan Wong, Ji-Feng Fei, Felipe Mora-Bermudez, Elena Taverna, Christiane Haffner, Jun Fu, Konstantinos Anastassiadis, A. Francis Stewart & Wieland B. Huttner

Sustained Pax6 expression generates primate-like basal radial glia in developing mouse neocortex

PLOS Biology (2015), August 6, 2015

Prof. Dr. Wieland B. Huttner | Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik, Dresden
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de/9352028/pax6-neocortex1

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