Gehirnforscher bringt Licht in die „dunkle Materie“ der Nervenzellen

Dr. Federico Calegari vom DFG-Forschungszentrum für Regenerative Therapien Dresden – Exzellenzcluster an der TU Dresden (CRTD) entwickelte die erste Mauslinie, mit der er die Regulationen von Erbsubstanzen der „dunklen Materie“ bei der Differenzierung von Stamm- zu Tochterzellen und Proteinen nachvollziehen kann. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal „The EMBO Journal“ veröffentlicht (DOI: 10.1038/emboj.2013.245).

In allen Lebewesen enthalten Gene die Erbinformation. Gene liegen in der DNA in Molekülketten aufgebaut aus vier Bausteinen in verschiedenen Reihenfolgen vor, die die Information für die Entwicklung und Funktion eines gesamten Lebewesens beinhaltet. Über die Erbinformation der Gene werden Ribonukleinsäuren (RNA) hergestellt, von denen eine wichtige Gruppe wiederum die Bauanleitung für Proteine (Eiweiße) enthält, die für die biologische Entwicklung eines Lebewesens und den Stoffwechsel in der Zelle notwendig sind. Doch nur ein Bruchteil der Zell-DNA besteht aus Genen.

Mehr als 95 Prozent der menschlichen DNA machen nicht-codierende Erbsubstanzen aus, die keine Bauanleitungen für Proteine enthalten. Diese nicht-codierende DNA, die „dunkle Materie“, kann erst seit kurzem mit neuentwickelten Messemethoden identifiziert werden. Die „dunkle Materie“ reguliert die Aktivitäten der Gene. Bei Störungen können falsche Gene aktiviert oder Zellen unerwünschte Eigenschaften verliehen werden.

„Stammzellen, differenzierte Vorläuferzellen und neue Nervenzellen liegen in einer vermischten Zellpopulation bei der Entwicklung des Gehirns vor, ebenso nicht-codierende Erbsubstanzen“, erläutert Dr. Federico Calegari. „Aus diesem Gemisch wollten wir bestimmen, welche Gene und nicht-codierenden Erbsubstanzen wichtig für die Teilung der Nervenstammzellen sind.“

Gemeinsam mit den Doktorandinnen Julieta Aprea und Silvia Prenninger hat er eine neue Mauslinie geschaffen, um in vivo Transkriptionsgene zu identifizieren. Dafür ist eine Mauslinie kombiniert mit rot und grün fluoreszierenden Reporterproteinen als Marker gezüchtet worden, die Populationen der Stammzellen, Tochterzellen und neugebildeten Nervenzellen in der örtlichen und zeitlichen Regulation bei der Gehirnbildung sichtbar macht. Mit Hilfe des Next Generation Deep Sequencing können Calegari und Aprea nun auch die Aktivität der Transkriptionsgene der jeweiligen Zellpopulationen viel genauer bestimmen.

Die nicht codierende Erbsubstanz Miat der „dunklen Materie“ haben die Dresdner Gehirnforscher dabei genauer untersucht. „Im Kern der Nervenzelle kann Miat als winzige Punkte sichtbar gemacht werden“, berichtet Julieta Aprea. Niemand wusste bisher, welche Funktionen Miat besitzt.“ Die RNA setzt in biologischen Zellen die genetische Information in Proteine um, der Informationsträger hierfür ist die sogenannte Messenger-RNA (mRNA). Eine Vorstufe der mRNA beinhaltet nicht-codierende Gen-Teile (Introns) und Teile, die nach dem Spleißen bleiben (Exons). Mit dem Spleißen werden die nicht-codierenden Gen-Teile entfernt und die angrenzenden Exons zur fertigen mRNA verknüpft. Federico Calegari resümiert: „Wir konnten nachweisen, dass Miat das sogenannte Spleißen der neuronalen mRNA kontrolliert, damit auch die Erzeugung neuer Nervenzellen. Wie genau das mechanisch funktioniert, wissen wir noch nicht.“

Das Mausmodell der Dresdner Wissenschaftler, das das exakte und sichtbare Nachverfolgen von Populationen der Stammzellen, deren Tochterzellen und neuen Nervenzellen sowie nicht-codierenden Erbsubstanzen erlaubt, ist ein bedeutender Fortschritt für die Stammzellforschung und die Entwicklung neuer Therapien für neurodegenerative Erkrankungen oder Verletzungen des zentralen Nervensystems.

Publikation:
Julieta Aprea1, Silvia Prenninger1, Martina Dori1, Laura Sebastian Monasor1, Elke Wessendorf1, Sara Zocher1, Simone Massalini1, Tanay Ghosh2, Dimitra Alexopoulou1, Mathias Lesche1, Andreas Dahl1, Matthias Groszer2, Michael Hiller3,4 and Federico Calegari1: Transcriptome Sequencing During Mouse Brain Development Identifies Long Non-Coding RNAs Functionally Involved in Neurogenic Commitment. The EMBO Journal, DOI: 10.1038/emboj.2013.245
1) DFG–Research Center and Cluster of Excellence for Regenerative Therapies, Dresden, Germany
2) Institut du Fer à Moulin, INSERM UMR-S 839, Université Pierre & Marie Curie, Paris, France
3) Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics, Dresden, Germany

4) Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems, Dresden, Germany

Das 2006 gegründete Zentrum für Regenerative Therapien Dresden (CRTD) der Technischen Universität konnte sich in der dritten Runde der Exzellenzinitiative erneut als Exzellenzcluster und DFG-Forschungszentrum durchsetzen. Es wird von dem Entwicklungs- und Neurobiologen Prof. Dr. Michael Brand geleitet. Ziel des CRTD ist es, das Selbstheilungspotential des Körpers zu erforschen und völlig neuartige, regenerative Therapien für bisher unheilbare Krankheiten zu entwickeln.

Die Forschungsschwerpunkte des Zentrums konzentrieren sich auf Hämatologie und Immunologie, Diabetes, neurodegenerative Erkrankungen sowie Knochendegeneration. Zurzeit arbeiten fünf Professoren und neun Forschungsgruppenleiter am CRTD, die in einem interdisziplinären Netzwerk von über 90 Mitgliedern sieben verschiedener Institutionen Dresdens eingebunden sind. Zusätzlich unterstützen 18 Partner aus der Wirtschaft das Netzwerk. Dabei erlauben die Synergien im Netzwerk eine schnelle Übertragung von Ergebnissen aus der Grundlagenforschung in klinische Anwendungen.