Ein schlagendes Herz, ein kompliziertes Organ, das Blut durch den Körper von Tieren und Menschen pumpt, verbindet man nicht unbedingt mit einer Petrischale im Labor.
Aber das kann sich in Zukunft ändern und das Leben von Menschen retten, deren eigene Organe versagen. Dem ist die Forschung nun einen Schritt näher gekommen.
Um künstliche Organe zu entwerfen, muss man zunächst Stammzellen und die genetischen Anweisungen verstehen, die ihre bemerkenswerten Eigenschaften bestimmen. Professor Joshua Mark Brickman vom Novo Nordisk Foundation Center for Stem Cell Medicine (reNEW) hat die evolutionären Ursprünge eines Meistergens entdeckt, das auf ein Netzwerk von Genen einwirkt, die Stammzellen anleiten.
„Der erste Schritt in der Stammzellenforschung besteht darin, das genregulatorische Netzwerk zu verstehen, das sogenannte pluripotente Stammzellen unterstützt. Das Verständnis, wie ihre Funktion in der Evolution perfektioniert wurde, kann dazu beitragen, Erkenntnisse darüber zu gewinnen, wie man bessere Stammzellen konstruiert“, sagt Joshua Mark Brickman.
Pluripotente Stammzellen sind Stammzellen, die sich zu allen anderen Zellen entwickeln können; zum Beispiel Herzzellen. Wenn wir verstehen, wie sich die pluripotenten Stammzellen zu einem Herzen entwickeln, sind wir der Nachbildung dieses Prozesses im Labor einen Schritt näher gekommen.
Ein „lebendes Fossil“ ist der Schlüssel zum Verständnis von Stammzellen
Die pluripotente Eigenschaft von Stammzellen – was bedeutet, dass sich die Zellen zu jeder anderen Zelle entwickeln können – wird traditionell mit Säugetieren in Verbindung gebracht.
Jetzt haben Brickman und seine Kollegen herausgefunden, dass das Master-Gen, das Stammzellen kontrolliert und Pluripotenz unterstützt, auch in einem Fisch namens Quastenflosser existiert. Bei Menschen und Mäusen heißt dieses Gen OCT4, und die Forscher fanden heraus, dass die Quastenflosser-Version die Säugetier-Version in Maus-Stammzellen ersetzen könnte.
Abgesehen davon, dass der Quastenflosser zu einer anderen Klasse als Säugetiere gehört, wird er auch als „lebendes Fossil“ bezeichnet, da er sich vor etwa 400 Millionen Jahren zu seiner heutigen Form entwickelt hat. Es hat Flossen, die wie Gliedmaßen geformt sind, und soll daher den ersten Tieren ähneln, die sich vom Meer an Land bewegten.
„Indem man seine Zellen untersucht, kann man sozusagen in der Evolution zurückgehen“, erklärt Assistenzprofessorin Molly Lowndes.
Assistenzprofessor Woranop Sukparangsi fährt fort: „Der zentrale Faktor, der das Gennetzwerk in Stammzellen steuert, befindet sich im Quastenflosser. Dies zeigt, dass das Netzwerk bereits früh in der Evolution existierte, möglicherweise schon vor 400 Millionen Jahren.“
Durch die Untersuchung des Netzwerks in anderen Arten wie diesem Fisch können die Forscher die grundlegenden Konzepte herausfiltern, die eine Stammzelle unterstützen.
„Das Schöne daran, in der Evolution zurückzugehen, ist, dass die Organismen einfacher werden. Zum Beispiel haben sie nur eine Kopie einiger essentieller Gene statt vieler Versionen. Auf diese Weise kann man anfangen, das zu trennen, was für Stammzellen wirklich wichtig ist, und das nutzen.“ um zu verbessern, wie man Stammzellen in einer Schale züchtet“, sagt Ph.D. Studentin Elena Morganti.
Haie, Mäuse und Kängurus
Die Forscher fanden nicht nur heraus, dass das Netzwerk um Stammzellen viel älter ist als bisher angenommen und in alten Arten gefunden wurde, sie erfuhren auch, wie genau die Evolution das Netzwerk von Genen modifiziert hat, um pluripotente Stammzellen zu unterstützen.
Die Forscher untersuchten die Stammzellgene von über 40 Tieren, darunter Haie, Mäuse und Kängurus. Die Tiere wurden ausgewählt, um eine gute Stichprobe der Hauptverzweigungspunkte in der Evolution bereitzustellen.
Die Forscher nutzten künstliche Intelligenz, um dreidimensionale Modelle der verschiedenen OCT4-Proteine zu erstellen. Die Forscher konnten sehen, dass die allgemeine Struktur des Proteins über die Evolution hinweg erhalten bleibt. Während sich die Regionen dieser Proteine, von denen bekannt ist, dass sie für Stammzellen wichtig sind, nicht ändern, verändern artspezifische Unterschiede in scheinbar nicht verwandten Regionen dieser Proteine ihre Ausrichtung und beeinflussen möglicherweise, wie gut sie Pluripotenz unterstützen.
„Dies ist eine sehr aufregende Erkenntnis über die Evolution, die vor dem Aufkommen neuer Technologien nicht möglich gewesen wäre. Man kann es als Evolution betrachten, die klug denkt: ‚Wir basteln nicht am Motor im Auto herum, aber wir können den Motor bewegen und den Antriebsstrang verbessern, um zu sehen, ob das Auto dadurch schneller fährt'“, sagt Brickman.
Die Arbeit wird in der Zeitschrift veröffentlicht Naturkommunikation.
Die Studie ist ein Gemeinschaftsprojekt, das Australien, Japan und Europa umfasst, mit wichtigen strategischen Partnerschaften mit den Gruppen von Sylvie Mazan am Ozeanologischen Observatorium von Banyuls-sur-Mer in Frankreich und Professor Guillermo Montoya vom Novo Nordisk Foundation Centre for Protein Research an der Universität von Kopenhagen.
Mehr Informationen:
Woranop Sukparangsi et al., Evolutionärer Ursprung von Wirbeltier-OCT4/POU5-Funktionen bei der Unterstützung von Pluripotenz, Naturkommunikation (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-32481-z