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Normales Rückenmark (links) zeigt präzise Muster von Genaktivität. Die Farben Rot, Blau und Grün stellen verschiedene Zelltypen dar. Ist eines der Signalek gestört (rechts), geht die Genauigkeit der Genaktivität verloren © IST Austria
Normales Rückenmark (links) zeigt präzise Muster von Genaktivität. Die Farben Rot, Blau und Grün stellen verschiedene Zelltypen dar. Ist eines der Signalek gestört (rechts), geht die Genauigkeit der Genaktivität verloren © IST Austria

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Präzise Entwicklung des Rückenmarks

29.06.2017

Eine neue Studie von WissenschaftlerInnen des Francis Crick Institute (London), des IST Austria (Klosterneuburg) und der EPFL (Lausanne) enthüllt, wie verschiedene Arten von RückenmarksNervenzellen während der Embryonalentwicklung an präzise bestimmten Orten gebildet werden.

Wenn Embryonen wachsen und sich entwickeln, müssen sie neue Zellen mit speziellen Identitäten und Funktionen an genau den richtigen Orten innerhalb der Organe bilden. Insbesondere trifft das auf das zentrale Nervensystem zu, wo verschiedene Arten von Nervenzellen, die Neuronen, mit großer Genauigkeit positioniert werden müssen, damit sich die Schaltkreise der Nerven korrekt anordnen können. In ihrer Studie, die in Science erschien, haben Zagorski und seine Kollegen untersucht, wie Zellen in dem Teil des Nervensystems, der sich zum Rückenmark entwickeln wird, ihre präzisen Positionen feststellen. Das interdisziplinäre Team aus Biologen, Ingenieuren und Physikern hat dabei herausgefunden, dass die Zellen zum Messen ihrer genauen Position zwei verschiedene Signale verwenden, die sich von entgegengesetzten Seiten des Rückenmarks ausbreiten.

Diese Signale etablieren das Muster der Genaktivität im Gewebe. Die Genaktivität kontrolliert dann ihrerseits die Produktion verschiedener Typen von Nervenzellen. Viele Faktoren können auf natürliche Weise variieren und Fehler in diesem Prozess verursachen. Überraschenderweise sind die Muster der Genaktivität von den frühesten Phasen der Rückenmarksentwicklung an äußerst präzise. Akribische Messungen und sorgfältig geplante Experimente zeigten, dass die Zellen im Rückenmark die Kombination dieser zwei Signale interpretieren, um ihre Genaktivität zu justieren. Das erlaubt den Zellen, ihre Position mit einem hohen Grad an Genauigkeit zu berechnen. Auf dieser Erkenntnis basierend, entdeckten Zagorski und seine Kollegen die spezifischen Mechanismen, die die Zellen nutzen, um die zwei Signale zu interpretieren. Auf diese Weise konnten sie die Verbindung zwischen der Präzision in der Rückenmarksentwicklung und der Kontrolle der Genaktivität herstellen.

Anna Kicheva erklärt dazu: "In dieser Studie sind wir der Erkenntnis darüber, wie sich die verschiedenen Zelltypen im Rückenmark eines Embryos in einem stereotypischen und präzisen räumlichen Muster organisieren, einen Schritt weiter gekommen. Die quantitativen Messungen und die neuen experimentellen Techniken, die wir verwendet haben, und auch die gemeinsamen Bemühungen von Biologen, Biophysikern und Bioingenieuren waren dafür ausschlaggebend. Sie haben es uns ermöglicht, Einblicke in die außerordentliche Genauigkeit embryonaler Entwicklung zu gewinnen, und haben enthüllt, dass die Zellen eine bemerkenswerte Fähigkeit haben, die Gewebeentwicklung zu orchestrieren."

James Briscoe kommentiert: "Die Studie eröffnet eine neue Perspektive auf die lange bestehende Frage, wie Gewebe während seiner Entwicklung die richtigen Zellen am richtigen Ort und in der richtigen Menge produziert. Es ist wahrscheinlich, dass ähnliche Strategien auch in anderen sich entwickelnden Geweben zum Einsatz kommen und dass unsere Ergebnisse auch dort von Relevanz sein können. Auf lange Sicht wird das helfen, Stammzellen in Methoden wie der Gewebezüchtung anzuwenden. Allerdings gibt es noch viel zu lernen und wir müssen solche interdisziplinären Kollaborationen weiter vorantreiben, um unser biologisches Wissen zu erweitern."

Originalartikel: "Decoding of position in the developing neural tube from antiparallel morphogen gradients" Marcin Zagorski, Yoji Tabata, Nathalie Brandenberg, Matthias Lutolf, Gašper Tkačik, Tobias Bollenbach, James Briscoe, Anna Kicheva Science, June 30 DOI: 10.1126/science.aam5887

Dr. Elisabeth Guggenberger
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