Bakterienmodell hilft aufzudecken, wie unser Körper Bevölkerungsexplosionen – und Krebs – verhindert

Damit die Größe einer Bevölkerung über einen längeren Zeitraum stabil bleibt, müssen ihre Geburten- und Sterberaten im Gleichgewicht sein. Ist die Geburtenrate zu hoch, könnte es zu einer Bevölkerungsexplosion kommen; ist sie zu niedrig, würde die Bevölkerung schrumpfen. Ein solches Gleichgewicht besteht beispielsweise zwischen den etwa 10.000 Milliarden Zellen, aus denen unser Körper besteht.

Wenn wir das Erwachsenenalter erreichen, teilen sich unsere Stammzellen zwar, um Körpergewebe zu erneuern, doch nach mehrmaliger Teilung werden sie zu reifen Zellen, die sich noch ein paar Mal teilen und dann absterben. Dieses Gleichgewicht bemerken wir nur, wenn es gestört wird – zum Beispiel, wenn sich Zellen unkontrolliert teilen und Krebsgeschwüre bilden.

Daraus folgt, dass ein Gleichgewicht zwischen sich teilenden und reifen Zellen eine Voraussetzung für die Existenz jedes mehrzelligen Organismus ist, aber wie wird es aufrechterhalten? In einer neuen Studie veröffentlicht vor kurzem in Zelleverwendeten Forscher vom Weizmann Institute of Science Einzeller, um besser zu verstehen, wie mehrzellige Organismen dieses Gleichgewicht aufrechterhalten und sich vor Krebs schützen.

Die Zelldifferenzierung ist ein biologisches „Spezialisierungstraining“, bei dem sich eine Stammzelle in zwei Tochterzellen teilt, von denen eine eine bestimmte Rolle übernimmt und die Eigenschaften erwirbt, die zu ihrer Erfüllung erforderlich sind. Wenn Zellen eine Differenzierung durchlaufen, ist ihre neue Spezialisierung für den mehrzelligen Organismus, dessen Teil sie sind, von Nutzen, aber sie zahlen einen hohen individuellen Preis: Je weiter sie auf diesem Spezialisierungspfad vorankommen, desto mehr nimmt ihre Fähigkeit zur Replikation ab, bis sie sich überhaupt nicht mehr teilen können.

Diese langsame Teilung differenzierter Zellen macht sie anfällig für Zellpopulationen, die sich schneller teilen und wachsen und daher das Gewebe und seine Ressourcen übernehmen können. Bei einigen Arten von Blutkrebs beispielsweise erleiden Stammzellen im Knochenmark eine Mutation, die ihre Differenzierung verlangsamt und es ihnen ermöglicht, mehr Tochterstammzellen zu produzieren. Diese mutierten Zellen nutzen die natürliche Schwachstelle im Differenzierungsprozess aus und überwältigen die Population gesunder Zellen in einem Prozess, der als mutierte Übernahme bezeichnet wird.

Obwohl im Durchschnitt bei jeder Zellteilung unseres Körpers eine Mutation auftritt, erfreuen sich die meisten von uns über Jahrzehnte hinweg einer guten Gesundheit und erleben unzählige Zellteilungen, ohne dass Mutationen die Kontrolle über uns übernehmen. Dies deutet darauf hin, dass es wirksame Mechanismen gibt, um mit dieser Bedrohung umzugehen, auch wenn sie bei komplexen Organismen schwer zu identifizieren sind.

Wissenschaftler der Forschungsgruppe von Prof. Uri Alon in der Abteilung für Molekulare Zellbiologie des Weizmann-Instituts beschlossen, E. coli-Bakterien, die sich normalerweise nicht differenzieren, so zu verändern, dass sie einen künstlichen Differenzierungsprozess durchlaufen. Dadurch können die Forscher untersuchen, wie eine Zellpopulation mit der Übernahme durch Mutanten umgeht.

„Das E. coli-Modell hat eine Reihe klarer Vorteile“, erklärt Dr. David Glass, der die Studie in Alons Labor leitete. „Einer davon ist die kurze Generationszeit, die es uns ermöglichte, die Entwicklung von Mutanten über Hunderte von Generationen im Labor zu untersuchen.“

Um differenzierungsfähige E. coli-Bakterien zu erzeugen, ließen sich die Forscher von Cyanobakterien namens Anabaena inspirieren, die sich als Reaktion auf Stickstoffmangel in ihrer Umgebung differenzieren, indem sie bestimmte Abschnitte ihrer DNA herausschneiden. Obwohl die differenzierten Bakterien die Fähigkeit zur Teilung verlieren, erhalten sie einen wichtigen Überlebensvorteil: die Fähigkeit, sich selbst und die gesamte Kolonie mit Stickstoff zu versorgen.

Um den Differenzierungsprozess im E. coli-Modell nachzuahmen, züchteten die Wissenschaftler die Bakterien in einer Umgebung, die Antibiotika enthielt, in der aber eine essentielle Aminosäure fehlte. Mithilfe gentechnischer Verfahren fügten sie in jedes Bakterium mehrere Kopien eines Gens für Antibiotikaresistenz und mehrere Kopien eines Gens ein, das die fehlende Aminosäure produzierte.

Bevor der Prozess der künstlichen Differenzierung begann – das heißt, als sich die Bakterien in einem Zustand befanden, der dem von Stammzellen entsprach – waren die Antibiotikaresistenzgene aktiv, sodass sich die Bakterien trotz der Anwesenheit des Antibiotikums schnell teilen und differenzieren konnten.

Als der Differenzierungsprozess durch das Herausschneiden der Antibiotikaresistenzgene in Gang gesetzt wurde, verloren die Bakterien zwar nach und nach ihre Fähigkeit zur Teilung und Differenzierung, erlangten dafür aber einen Überlebensvorteil: Die Schnitte in der DNA aktivierten nach und nach die Gene, die die essentielle Aminosäure produzierten.

„Um herauszufinden, welche Differenzierungsrate am besten funktioniert, haben wir 11 E. coli-Stämme miteinander konkurrieren lassen, von denen jeder DNA-Abschnitte mit einer anderen Rate herausschneidet, also differenziert“, erklärt Glass. „Wir haben gleiche Mengen der Bakterien gemischt, sie über mehrere Tage gezüchtet und dann überprüft, welche überlebt haben.“

„Wir entdeckten eine sehr starke Selektion zugunsten von Bakterien, die sich mit einer moderaten Geschwindigkeit differenzierten, und stellten fest, dass Bakterienstämme mit einer moderaten Differenzierungsrate das optimale Gleichgewicht der Zelltypen in ihrer Population aufrechterhielten. Zu jedem beliebigen Zeitpunkt waren nur eine Minderheit der Zellen ‚reine Stammzellen‘ oder ‚vollständig differenzierte Zellen‘, und eine Mehrheit befand sich in Zwischenstadien des Prozesses.“

Diese optimale, moderate Differenzierungsrate ist für verschiedene Systeme im menschlichen Körper gleich, wobei ein quantitatives Gleichgewicht zwischen Stammzellen, Vorläuferzellen in verschiedenen Differenzierungsstadien und differenzierten Zellen, die gelegentlich absterben und durch neue ersetzt werden, aufrechterhalten wird.

Um die Populationsgröße konstant zu halten, ist es wichtig, dieses Gleichgewicht auch bei veränderten Umweltbedingungen aufrechtzuerhalten. Um herauszufinden, ob die Bakterien in ihrem Modell dieses Gleichgewicht auch unter veränderten Bedingungen tatsächlich aufrechterhalten, züchteten die Forscher sie in 36 verschiedenen Kombinationen von Antibiotika- und Aminosäurekonzentrationen im Kulturmedium.

„Wir haben gesehen, dass in jeder Situation – außer in den extremsten, wie etwa bei völliger Abwesenheit von Antibiotika – die optimale Differenzierungsrate der Zellen im moderaten Bereich blieb und das Gleichgewicht aufrechterhalten wurde“, erklärt Glass. „Das bedeutet, dass das Populationsgleichgewicht, das das von uns entwickelte Differenzierungsmodell charakterisiert, weitgehend immun gegen Umweltveränderungen und Bedrohungen ist.“

Doch ist eine Bakterienpopulation, die sich optimal differenziert, auch immun gegen die Übernahme durch Mutanten, so wie es bei mehrzelligen Organismen der Fall ist?

Um die Widerstandsfähigkeit dieser Bakterien gegen die Übernahme durch Mutanten zu testen, ließen die Forscher sie über viele Generationen wachsen und überprüften, ob während der langen Wachstumsperiode zufällige Mutationen auftraten, die Bakterien hervorbrachten, die sich überhaupt nicht differenzierten und sich unkontrolliert teilten. Mit anderen Worten: Verursachen mutierte Bakterien die Übernahme durch Mutanten oder werden sie in einem frühen Stadium unterdrückt?

Als die Forscher das Experiment zum ersten Mal durchführten, stellten sie enttäuscht fest, dass in der Hälfte der Fälle Mutanten die Macht übernahmen. „Wir haben festgestellt, dass Mutanten, die sich nicht differenzieren, die Macht übernehmen können, wenn eine genetische Veränderung die Verbindung zwischen verlangsamter Differenzierung und dem Erhalt dieses Überlebensvorteils unterbricht“, fügt Glass hinzu.

Anschließend wiederholten die Forscher das Experiment mit einem neuen Bakterienstamm, der gentechnisch so verändert wurde, dass er gegen die festgestellte Mutation immun war. „Es gelang uns, rund 270 Generationen differenzierender Bakterien zu züchten, ohne dass es zu einer Übernahme durch Mutanten kam. Leider wurde das Experiment durch die Invasion Israels am 7. Oktober vorzeitig beendet, und die Bakterien könnten sogar noch widerstandsfähiger sein“, sagt Glass.

„Wir haben gezeigt, dass ein System, in dem sich differenzierende E. coli-Zellen nicht mehr teilen, aber einen Überlebensvorteil erlangen, ein optimales Populationsgleichgewicht aufrechterhalten und die Übernahme durch Mutanten verhindern kann. Viele Krankheiten, wie Krebs und Autoimmunerkrankungen, kommen nur bei mehrzelligen Organismen vor. Wenn wir immer mehr Merkmale mehrzelliger Systeme in Einzellern genetisch verändern, können wir die Schwachstellen aufdecken und auch im menschlichen Gewebe danach suchen.“

„Über die Grundlagenforschung hinaus könnten diese neuen Erkenntnisse auch Auswirkungen auf die Verwendung von Bakterien in der Industrie haben“, fügt Glass hinzu. „Gentechnisch veränderte Bakterien werden derzeit in großem Maßstab zur Produktion von Insulin, Enzymen und anderen vom Menschen genutzten Substanzen eingesetzt. Die Schaffung einer Population differenzierender Bakterien, die ihr Gleichgewicht aufrechterhält, sich erneuert und sogar die Übernahme durch Mutanten verhindert, könnte bei diesen Produktionsprozessen sehr nützlich sein.“