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Vorläuferzellen

Als Vorläuferzellen oder Stammzellen werden Körperzellen bezeichnet, die sich in verschiedene Zelltypen oder Gewebe ausdifferenzieren können, wobei je nach Art der Stammzelle sich diese in jegliches Gewebe oder in bestimmte festgelegte Gewebetypen entwickeln können. Besonders bedeutsam sind in der Psychologie die neuronalen Stammzellen, denn wenn ein Kind das Licht der Welt erblickt, warten in seinem Kopf Milliarden von Neuronen auf Input, wobei diese enorme Menge an Nervenzellen von nur einigen wenigen Vorläuferzellen abstammt. Diese müssen sich zunächst vermehren, um genügend Ausgangszellen zu bilden, und nach und nach schlägt dann ein Teil der Zellen einen anderen Weg ein und beginnt, in die gewebespezifischen Zellen des Gehirns wie Neuronen und Gliazellen auszureifen. Der Übergang zwischen Zellvermehrung und Ausreifung ist dabei genau geordnet, denn eine Veränderung des Gleichgewichtes hätte fatale Folgen, sodass gegenläufige Stuerkomponenten sich gegenseitig kontrollieren und einen Regelkreis bilden. Wie viele adulte Stammzellen vorhanden sind, ist allerdings für die  Regenerationsfähigkeit des Gehirns essenziell, denn diese Zellen stehen nicht endlos zur Verfügung, sondern können nur eine bestimmte Anzahl neuer Nervenzellen bilden.

Schon die Art und Weise, wie sich Stammzellen während der Embryonalentwicklung teilen, beeinflusst die Bildung der adulten neuralen Stammzellen. Während der embryonalen Entwicklung gibt es zwar viele Vorläuferzellen, die neue Nervenzellen bilden können, doch bleiben nur wenige dieser Vorläuferzellen auch im erwachsenen Organismus als adulte neurale Stammzellen erhalten. Aus diesen Zellen können einerseits Nervenzellen hervorgehen, andererseits aber auch adulte neurale Stammzellen, die später in der lateralen Wand des lateralen Ventrikels des Gehirns angesiedelt sind. Die aus diesen adulten Stammzellen neu gebildeten Nervenzellen wandern etwa anschließend in den Bereich, der für den Geruchssinn zuständig ist, und können dort verlorene Nervenzellen ersetzen. Nach neuester Forschung an Mäusen (Falk et al., 2017)  beeinflusst die Teilungsebene der embryonalen Vorläuferzellen die Entstehung der adulten Stammzellen, denn liegt die Teilungsebene der meisten Vorläuferzellen annähernd senkrecht (60-90°) zur apikalen Zelloberfläche, ist der Ertrag an adulten Stammzellen am höchsten. Ein weiterer Faktor ist der Zeitpunkt der Zellteilung, denn adulte Stammzellen werden nur während einer zeitlich eng begrenzten Phase der Entwicklung gebildet. Spätere Manipulationen der Teilungsebene haben dann keinen Einfluss mehr auf die Anzahl der zur Verfügung stehenden adulten Stammzellen.

Vielfalt und Präzision der Neuronen wird durch Isoformen erreicht

Damit die Informationsströme im menschlichen Körper fehlerfrei fließen und alle Funktionen ausgeübt werden können, müssen die unterschiedlichen Zellen so programmiert werden, dass sie sich mit dem jeweils richtigen Interaktionspartner verbinden. Welche Funktion die Nerven dann bekommen, legen dabei die Gene fest, wobei die rund dreißigtausend verschiedenen Gene jedoch allein nicht ausreichen, um die nötige Vielfalt individueller Nervenzellen entstehen zu lassen. Wada et al. (2018) haben nun embryonale Mausstammzellen bei ihrer Reifung zu Neuronen untersucht und ein mathematisches Modell zur Entwicklung entworfen, das zeigt, wie die Vielfalt und Präzision der Neuronen durch Genvarianten (Isoformen) erreicht wird. Erst die Kombination der Isoformen macht es möglich, unterschiedliche Populationen von Neuronen aus einer recht begrenzten Anzahl an Genen zu erzeugen. Die Kombinationen entstehen bei der zufälligen Auswahl von Isoformen. Diese Zufälligkeit kann jedoch zu starken Schwankungen bei der Anzahl der exprimierten Isoformen in den einzelnen Zellen führen, wobei aber eine gleiche oder ähnliche Anzahl der exprimierten Gene in jeder Zelle jedoch wichtig ist, damit die Neuronen spezifische Interaktionen mit anderen Neuronen eingehen. Bei der Entwicklung von individuellen Nervenzellen handelt es sich demnach um eine Art Massenproduktion nach dem Zufallsprinzip, wobei wie am Fließband Millionen von Nervenzellen entstehen. Dabei schließen sich interessanterweise kombinatorische Vielfalt und Präzision nicht aus, sondern gehen Hand in Hand. Auch wenn die Anzahl der exprimierten Gene während der Differenzierung zunimmt, verschiebt sich der Ausdruck in Richtung Exklusivität, d. h., anders als bisher angenommen erhöhen sich gleichzeitig die Anzahl verschiedener Isoformen in einer Zelle und die exklusive Präzision während der Reifung, d. h., je mehr Isoform-Varianten, desto exklusiver und gleichmässiger ihre Verteilung in den einzelnen Nervenzellen. Da jedes Gen unterschiedlich abgelesen wird und nicht alle gleichermaßen Isoformen bilden, lassen sich diese Ergebnisse aber nicht auf alle Gene übertragen, sodass es weitere Strategien geben muss, die diese Individualität von Nervenzellen gewährleisten.

Literatur

Sven Falk, Stéphane Bugeon, Jovica Ninkovic, Gregor-Alexander Pilz Maria Pia Postiglione, Harold Cremer, Jürgen A. Knoblich, & Magdalena Götz (2017). Time-specific effects of spindle positioning on embryonic progenitor pool composition and adult neural stem cell seeding. Neuron, 93, 777–791.
Stangl, W. (). Neuronen – Nervenzellen. [werner stangl]s arbeitsblätter.
WWW: http://arbeitsblaetter.stangl-taller.at/GEHIRN/Gehirn-Neuronen.shtml (16-12-12)
Wada, T., Wallerich, S. & Becskei, A. (2018). Stochastic gene choice during cellular differentiation. Cell Reports, 24, 3503-3512.
https://www.unibas.ch/de/Aktuell/News/Uni-Research/Vielfalt-im-Gehirn.html (18-10-01)



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