Regeneration von Körpergliedern beim Axolotl entschlüsselt

Woher kennen die verletzten Glieder die genaue Anzahl an Segmenten, die für das Nachwachsen notwendig sind? Dieses Geheimnis der Regeneration hat Professorin Elly Tanaka vom DFG-Forschungszentrum für Regenerative Therapien Dresden – Exzellenzcluster an der TU Dresden (CRTD) entschlüsselt:

Adulte Axolotl regenerieren fehlende Gliedmaße durch fortlaufende Spezifizierung. Die Regeneration erfolgt in einer zeitlich festgelegten Reihenfolge. Diese Studie ist jetzt im Fachjournal „Science Magazine“ veröffentlicht worden (DOI: 10.1126/science.1241796).

Wenn ein Axolotl zum Beispiel die Gliedmaßen unterhalb des Oberarms verliert, wachsen der Ellbogen, der Unterarm und die Hand nach. Wird einem Axolotl am Handgelenk die Hand amputiert, bildet sich nur die Hand wieder nach.

Das zu regenerierende Glied entscheidet bereits, welches Segment sich zuerst ausbildet, während andere Zellen dabei sind, Vorläuferzellen zu vermehren, ehe diese zum Beispiel den ersten Knochen entwickeln. Diese zeitliche und örtliche Entscheidung, welches Segment der Gliedmaße regenerieren muss, wird Musterung („patterning“) genannt.

„Viele Wissenschaftler hatten die These aufgestellt, dass die ersten Vorläuferzellen, die sich nach einer Gliedmaßamputation beim Axolotl bilden, die Identität der Fingerspitze besitzen würden“, sagt Professorin Elly Tanaka. Diese „Fingerspitzenzellen“ glichen, wie auch immer das geschehen möge, ihre Identität mit den Zellen im Stumpf des verletzten Gliedmaßes ab, um den Stumpf zu stimulieren, Zellen für das Gewebe zwischen Stumpf und Fingerspitzen zu bilden. Auf diese Weise würden sich die richtigen Segmente des Gliedmaßes formen – in einem Prozess der Einschiebung („intercalation“).

Tanaka und ihre Arbeitsgruppe haben herausgefunden, dass die Regeneration von Gliedmaßen beim adulten Axolotl gerade so nicht abläuft. Im Gegenteil: Nach der Amputation eines Glieds vermehren sich in den ersten sechs Tagen die Zellen stark. „Zu diesem Zeitpunkt wird ein Gen angeschaltet, das den Zellen mitteilt, dass sie sich auf der verkürzten Seite des Glieds befinden“, berichtet Dr. Akira Tazaki vom CRTD. „Wenn wir im Oberarm das Glied durchtrennen, schalten die sich in den ersten sechs Tagen stark vermehrenden Zellen ein Gen an, um den Unterarm nachwachsen zu lassen.“ Wenn die Dresdner Forscher die Hand eines Axolotls amputieren, wird ein anderes Gen angeschaltet, um die Zellen zur Neubildung der fehlenden Hand anzustoßen. Dieser Prozess nennt sich Identität der Position („positional identity“).

Nach sechs weiteren Tagen beginnen die sich stark vermehrenden Zellen die Zellen für das benachbarte Gliedsegment zu bilden. Wenn beim adulten Axolotl der Oberarm durchtrennt wird, entwickeln sich zuerst die Zellen für die Bildung des Oberarms, danach diejenigen für den Unterarm. Nur am Ende der Regeneration entwickeln sich die Zellen für die Fingerspitzen.

Professorin Elly Tanaka sieht diese wissenschaftliche Festschreibung, in welcher Reihenfolge sich die Segmente eines nachwachsenden Glieds formen, als fundamental für die Forschung an: „Dieses Wissen erlaubt uns erst, grundsätzlich darüber nachzudenken, wie wir Gewebe von Gliedmaßen entwickeln können.“

Publikation
Kathleen Roensch1,2, Akira Tazaki1,2, Osvaldo Chara3, and Elly M. Tanaka1,2: Progressive specification rather than intercalation of limb elements during salamander limb regeneration. Science Magazine, DOI: 10.1126/science.1241796
1) DFG-Research Center for Regenerative Therapies Dresden – Cluster of Excellence at the TU Dresden (CRTD), Dresden, Germany
2) Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics, Dresden, Germany

3) Center for Information Services and High Performance Computing, TU Dresden, 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.