Untersuchungen unter der Leitung des Department of Earth and Planetary Sciences der McGill University in Kanada haben ergeben, dass menschliche Zellen im gesamten Organismus einem Homöostasemuster in Bezug auf Zellgröße und -zahl zu folgen scheinen.
In einem Artikel mit dem Titel „The human cell count and size distribution“, veröffentlicht in Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaftendecken die Forscher ein Rätsel der mathematischen Symmetrie zwischen menschlichen Zellgewebetypen auf und deuten auf einen unbekannten Entwicklungsmechanismus hin, der einem strukturierten Ablauf zu folgen scheint, der in der Natur häufig vorkommt.
Die faszinierende Entdeckung besteht in einer umgekehrten Beziehung zwischen Zellgröße und Zellzahl. Mit zunehmender Zellgröße nimmt die Zellzahl ab und umgekehrt, sodass Zellen innerhalb einer bestimmten logarithmischen Größenklasse gleichermaßen zur gesamten Zellbiomasse des Körpers beitragen. Die Studie zeigt, dass dieser Zusammenhang für verschiedene Zelltypen und Größenklassen gilt, was auf einen Kompromiss zwischen diesen Variablen schließen lässt.
Zellgröße und -zahl sind wesentliche Faktoren für das Wachstum und die Funktion des menschlichen Körpers. Bisher hat keine Studie den Zusammenhang zwischen Zellgröße und Zellzahl im gesamten menschlichen Organismus untersucht. Das Team hat aus über 1.500 veröffentlichten Quellen einen umfassenden Datensatz zur Zellgröße und -zahl der wichtigsten Zelltypen zusammengestellt.
Die Daten zeigen eine geschätzte Gesamtkörperzellzahl von etwa 36 Billionen Zellen bei einem Mann, 28 Billionen Zellen bei Frauen und 17 Billionen Zellen bei einem zehnjährigen Kind. Die Verteilung der Zellbiomasse im menschlichen Körper wird von Muskel- und Fettzellen dominiert, während rote Blutkörperchen, Blutplättchen und weiße Blutkörperchen einen großen Einfluss auf die Zellzahl haben. Jeder Zelltyp behält typischerweise einen charakteristischen Größenbereich bei, der während der gesamten Entwicklung eines Individuums einheitlich ist, und das Gleiche gilt auch für alle Säugetierarten.
Die Autoren weisen darauf hin, dass „…trotz der Einheitlichkeit der Größe eines bestimmten Zelltyps die Zellgröße über enorme sieben Größenordnungen von den roten Blutkörperchen bis zu den größten Muskelfasern variiert, vergleichbar mit dem Massenverhältnis einer Spitzmaus zu einer.“ Blauwal“ mit mehr als einer Millionfachen Unterschieden.
Ob die Größenverteilung der Zellen im gesamten menschlichen Körper einer logarithmischen Normalverteilung folgt, ähnlich der eines einzelnen Zelltyps, oder ob andere Verteilungen bevorzugt werden und durch welchen Mechanismus dies gesteuert wird, ist unklar.
Die beobachteten Muster einer umgekehrten Beziehung zwischen Zellgröße und -zahl ähneln dem Zipf-Gesetz und dem Taylor-Gesetz, statistischen Skalierungsprinzipien, die in der Natur in allen Bereichen von der Verteilung der Bakterien im Boden bis zur Fischpopulation im Ozean immer wiederkehren sogar im sprachlichen Wortgebrauch und in der Musik zu finden.
Das Gesetz von Zipf beschreibt eine Potenzgesetzverteilung, bei der eine kleine Anzahl von Elementen die Mehrheit der Vorkommen in einem Datensatz ausmacht. Die umgekehrte Beziehung zwischen Zellgröße und Zellzahl erinnert an das Zipfsche Gesetz, da eine kleine Anzahl sehr großer Zellen (im Hinblick auf die Größe) einen erheblichen Teil der Zellbiomasse ausmacht, während zahlreiche kleinere Zellen zur Gesamtzellzahl beitragen.
Das Taylorsche Gesetz besagt, dass die Varianz der Anzahl der Individuen (oder einer anderen Messung) innerhalb einer Gruppe mit dem Mittelwert dieser Messung, erhöht auf einen bestimmten Exponenten, skaliert. Das Taylorsche Gesetz wird in Bezug auf die Größen- und Anzahlvariationen zwischen verschiedenen Zelltypen gesehen. Die Studie kommt zu dem Ergebnis, dass der Variationskoeffizient (CV) der Zellgröße über alle Zelltypen hinweg annähernd konstant bleibt, was bedeutet, dass die Varianz der Zellmasse mit der auf eine bestimmte Potenz gesteigerten mittleren Zellmasse skaliert.
Die Muster deuten auf wiederkehrende Prinzipien in der Organisation und Verteilung von Zellgrößen und -zahlen hin, sowohl innerhalb des menschlichen Körpers als auch in natürlichen Systemen im weiteren Sinne. Die Autoren betonen die Bedeutung einer Gesamtorganismus-Perspektive für das Verständnis menschlicher Zelltypen, insbesondere im Kontext von Initiativen wie dem Human Cell Atlas.
Mehr Informationen:
Ian A. Hatton et al., Die menschliche Zellzahl und Größenverteilung, Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften (2023). DOI: 10.1073/pnas.2303077120
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