Stammzellen pausieren

Die Menschen bekommen später als je zuvor Kinder. Das Durchschnittsalter frischgebackener Eltern in den Vereinigten Staaten steigt seit mindestens einem halben Jahrhundert.

Aber die Zeit ist hart für unseren Körper und unsere Fortpflanzungssysteme. Mit zunehmendem Alter der Tiere sind unsere Stammzellen beispielsweise weniger effektiv bei der Erneuerung unseres Gewebes. Dies gilt insbesondere für Keimbahn-Stammzellen, die sich in Spermien und Eizellen verwandeln.

Was wäre, wenn es eine Möglichkeit gäbe, diesen Prozess zu unterbrechen?

Biologen der UC Santa Barbara haben eine Studie über die Fähigkeit von Fruchtfliegen veröffentlicht, die Langlebigkeit ihrer Keimbahn-Stammzellen zu verlängern. Das Papier, erschienen in Naturkommunikation, beschreibt einen Prozess, der die Eiproduktion bei weiblichen Fliegen stoppt. Die Wissenschaftler fanden heraus, dass fast jeder Schritt auf Eis gelegt wurde, wodurch die Lebensfähigkeit der Stammzellen verlängert wurde. Die Erkenntnisse könnten zukünftige medizinische Entdeckungen beeinflussen.

„Wir sind daran interessiert, die Lebensdauer von Stammzellen im Allgemeinen und von Stammzellen der weiblichen Keimbahn im Besonderen zu verlängern“, sagte Seniorautorin Denise Montell, Duggan-Professorin und angesehene Professorin in der Abteilung für Molekular-, Zell- und Entwicklungsbiologie.

Wenn Fruchtfliegen in ihrer erwachsenen Form unter kalten, dunklen Bedingungen auftauchen, treten sie in eine Ruhephase ein, die als Diapause bezeichnet wird. Es ist eine saisonale Reaktion, um Energie für die Reproduktion zu sparen, wenn der Erfolg wahrscheinlicher ist: in der wärmeren Jahreszeit. Diapause kann die Lebensdauer einer Fliege verdoppeln und ihre Fortpflanzungszeit erheblich verlängern. Fliegen in der Diapause fressen weniger, sind weniger aktiv und setzen ihre Fortpflanzungsprozesse aus; Sie überwintern jedoch nicht wirklich.

Wissenschaftler haben dieses Phänomen schon früher untersucht, aber hauptsächlich aus einer Verhaltensperspektive. „Das ist das Neue an dieser Studie“, sagte Montell. „Wir haben uns eingehend mit der Zellbiologie beschäftigt, was sich als sehr interessant herausgestellt hat.“

„Das genaue Studium dieses Prozesses kann uns Hinweise darauf geben, wie wir die Alterung der Stammzellen verlangsamen können“, fügte der Hauptautor Sreesankar Easwaran, ein Projektwissenschaftler im Montell Lab, hinzu.

Unter Stress unterbrechen weibliche Fliegen die Oogenese – die Produktion von Eizellen – in einem bestimmten Stadium der Eientwicklung. Montell, Easwaran und ihr Team fanden dies auch während der Diapause, aber es ging über diese Phase hinaus. Der Stillstand der Oogenese war während der Diapause viel vollständiger als in anderen Stresssituationen, wie wenn Raubtiere anwesend waren oder Protein knapp war. Die Verhaftung war nicht nur vollständiger, sondern auch die Wiederherstellung der Fortpflanzungsfähigkeit war stärker.

Wenn das Wachsen von Eizellen wie das Installieren neuer Software ist, dann ist die Stressreaktion wie das Anhalten des Downloads, um eine Besorgung zu erledigen. Im Gegensatz dazu ist Diapause wie das Beenden der Installation und das erneute Starten des Prozesses zu einem späteren Zeitpunkt.

„Einer der Gründe, warum die Verhaftung so vollständig ist, ist, dass jede Phase der Entwicklung auf Eis gelegt wurde“, erklärte Montell. Beispielsweise wird eine Keimbahn-Stammzelle normalerweise in zwei Tochterzellen aufgeteilt. Eine davon teilt sich weiter, um ein Ei zu werden, während die andere eine Stammzelle bleibt, bereit, den Prozess später zu wiederholen.

Das Team fand heraus, dass dieser Prozess in der Diapause eingefroren wird, kurz bevor sich die Tochterzellen in der als Zytokinese bekannten Phase voneinander abschnüren. Die verbundenen Zellen haben zwei unterschiedliche Kerne, bleiben aber verbunden. Dies löst sich auf, sobald günstige Bedingungen zurückkehren und die Fliege aus der Diapause auftaucht.

Die Forscher fanden auch eine Anhäufung von DNA-Schäden, die P53 aktivierten, ein Checkpoint-Protein für genetische Schäden, das eine Zelle daran hindert, sich zu replizieren. Zellen haben normalerweise ein bestimmtes Replikationspotential: „Sie können sich nur so oft teilen, bevor sie müde werden und aufhören“, sagte Montell. Durch die Verhinderung der Replikation bewahrt P53 das Potenzial für diese Zelle, sich selbst zu reparieren und die Teilung später wieder aufzunehmen.

Montell und Easwaran waren neugierig, ob sie dieses System hacken könnten, um die Langlebigkeit von Keimbahn-Stammzellen unter normalen Bedingungen zu verlängern. Sie zielten auf ein Molekül namens Juvenile Hormone ab. Diese Verbindung spielt eine Rolle bei der Eiproduktion, und die Forscher fanden heraus, dass ihre Konzentrationen während der Diapause reduziert waren.

Sie entfernten die Zellen, die das Juvenilhormon bilden, das die Eiproduktion stoppte, und führten das Hormon sechs Wochen später wieder in das Futter der Tiere ein. Sie fanden heraus, dass das vorübergehende Entfernen des Hormons das Fortpflanzungspotenzial der Fliegen verlängerte, ähnlich wie bei der Diapause, und dass sich die Eierproduktion erholte, als die Verbindung wieder eingeführt wurde.

Montell betonte, dass dies erst der Anfang ihrer Untersuchung von Phänomenen wie der Diapause sei und die Ergebnisse in der Humanmedizin Anwendung finden könnten. „Wir wissen, dass es möglich ist, Dinge in sehr einfachen Organismen zu finden, die auch für Menschen gelten“, sagte sie. Beispielsweise entwickelte sich ihre Forschung zur Zellmotilität in Fruchtfliegen zu einem starken Modell für die Art und Weise, wie sich Krebs im ganzen Körper ausbreitet.

„Wir haben ein Stipendium des National Institute on Aging, um diesen Prozess der Diapause zu untersuchen, weil die Agentur absolut davon überzeugt ist, dass diese Art von grundlegender Studie an einem einfachen Tier uns Dinge sagen kann, die sich beim Menschen als wahr herausstellen“, sagte sie.

Auch Easwaran ist überzeugt. „Die Ergebnisse, die wir in dem Papier zeigen, könnten dazu beitragen, altersbedingte Krankheiten oder Zustände zu reduzieren“, sagte er, „und uns helfen, in Würde zu altern.“