3D-Struktur des Chromatins steuert Aktivität von Herzstammzellen

Auf welche Weise sich während der Embryonalentwicklung aus frühen Vorläuferzellen ein funktionierendes Herz entwickelt, ist bislang nur zum Teil bekannt. Die Aktivität vieler an der Herzentwicklung beteiligter Gene wird über einen einzigen Transkriptionsfaktor reguliert.

Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Herz- und Lungenforschung in Bad Nauheim haben nun herausgefunden, dass ein Adapterprotein namens Ldb1 für die Funktion des Transkriptionsfaktors Isl1 wichtig ist.

Im Verbund steuern beide eine räumliche Annäherung von Chromatinabschnitten, in denen herzspezifische Gene liegen. Dieses ist für die Entwicklung von Herzzellen aus Stammzellen wesentlich.

Herzversagen ist einer der häufigsten Todesursachen in Deutschland. Grund hierfür dürfte sein, dass die Selbstheilungskräfte des menschlichen Herzens nur gering sind. Schäden in der Herzmuskulatur, wie sie beispielsweise nach einem Infarkt auftreten, führen zu einer dauerhaft verringerten Leistungsfähigkeit des Herzens. Im Gegensatz zu anderen Organen, beispielsweise Leber und Blut, sind im Herzen viel weniger Stammzellen vorhanden, aus denen neue Herzmuskelzellen gebildet werden könnten.

Viele klinische Ansätze haben deshalb derzeit die therapeutische Nutzung von Stammzellen zum Ziel. Aus körpereigenen oder fremden Stammzellen sollen neue Herzmuskelzellen entstehen. Klinische Studien haben zwar gezeigt, dass dieses prinzipiell möglich ist, jedoch blieb bisher ein durchschlagender Erfolg, nämlich eine für den Patienten spürbare deutliche Verbesserung der Leistungsfähigkeit des Herzens, aus. Ein Grund hierfür könnte sein, dass im Herzen zu wenig eigene Stammzellen vorhanden sind.

Die Arbeitsgruppe von Gergana Dobreva am Max-Planck-Institut für Herz- und Lungenforschung in Bad Nauheim hat nun ein Schlüsselmolekül identifiziert, das für die Regulation der Stammzellaktivität während der Embryonalentwicklung eine entscheidende Rolle spielt. Demnach steuert das als Ldb1 bezeichnete Protein die Aktivität des für die Stammzellfunktion elementaren Transkriptionsfaktors Isl1.

„Ldb-1 hat die Funktion eines Adaptermoleküls. Es bindet an Isl1 und formt mit diesem einen Komplex. Dieser Komplex wiederum löst eine dreidimensionale Umorganisation des Chromatins aus“, erklärt Dobreva. Als Chromatin bezeichnet man die fadenförmige DNA-Struktur, auf der die Gene aufgereiht sind. „Viele für die Aktivität der Herzstammzellen wichtigen Gene werden so in räumliche Nähe zueinander gebracht.“

Für diese Untersuchung habe man ein als 3C-Assay bezeichnetes molekularbiologisches Verfahren verwendet. Dieses Hochdurchsatzverfahren analysiere die dreidimensionale Struktur von Chromatin.

Wie wichtig korrekte Ausrichtung des Chromatins für die Entwicklung der Herzstammzellen zu Herzmuskelzellen ist, stellten die Bad Nauheimer Wissenschaftler an verschiedenen Modellen, so unter anderem in Zellkulturen von embryonalen Stammzellen, an Zebrafischen und an Mäusen, denen das Ldb1-Gen fehlte, fest. Ohne Ldb1 blieb die zuvor beobachtete räumliche Annäherung des Chromatins aus. In der Folge fehlte den Herzstammzellen die Möglichkeit, sich zu fertigen Herzzellen zu differenzieren. Dadurch wurde die Herzentwicklung in den Embryonen wiederum gestört.

„Unsere Untersuchungen zeigen, dass ohne das Ldb1-Gen zwar die Differenzierung der Herzstammzellen gestört war, ihre Zellzahl sich aber nicht veränderte“, so Dobreva. Dies sein ein wichtiger Hinweis auf den zugrunde liegenden Mechanismus, nämlich dass Ldb1 für die Differenzierungsfähigkeit der Stammzellen wichtig sei.

Im nächsten Schritt unternahmen die Max-Planck-Forscher ein sogenanntes Rescue-Experiment: Stammzellen ohne Ldb1-Gen wurde dies von außen zugesetzt. Wie erwartet, war daraufhin ein fehlerfreies Clustern des Chromatins zu beobachten und auch die kardiovaskuläre Differenzierung verlief normal. „Wir beobachteten allerdings, dass die Überexpression von Ldb1 außerdem dazu führt, dass die Anzahl der kardiovaskulären Stammzellen sich deutlich erhöhte“, sagte Dobreva.

„Ein Zuwenig an Ldb1 verringert zwar nicht die Zahl der Stammzellen, ein Zuviel erhöht sie aber im Gegensatz dazu.“

Für die Wissenschaftler ist dies im Hinblick auf einen therapeutischen Ansatz eine entscheidende Beobachtung. „Wir haben in unserer Studie ein Schlüsselmolekül entdeckt, mit dessen Hilfe wir nun ein Verfahren entwickeln wollen, bei dem Herzvorläuferzellen vermehrt und dann für Stammzell-basierte Therapien verwendet werden können“, so Dobreva. Deshalb soll nun in weiteren Experimenten untersucht werden, ob eine Vermehrung der Herzstammzellen mit Hilfe von Ldb1 die Selbstheilungskräfte des Herzens verbessern kann.

Originalpublikation:
L. Caputo, H.R. Witzel, P. Kolovos , S. Cheedipudi , M. Looso , A. Mylona , W.F. van IJcken, K.L. Laugwitz, S.M. Evans, T. Braun, E. Soler , F. Grosveld, G. Dobreva
The Isl1/Ldb1 Complex Orchestrates Genome-wide Chromatin Organization to Instruct Differentiation of Multipotent Cardiac Progenitors. Cell Stem Cell. doi: 10.1016/j.stem.2015.08.007

Kontakt:
Dr. Matthias Heil
Presse- & Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für Herz- und Lungenforschung
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