hES-Zellen: Kommunikationsnetzwerk entdeckt

2. Juli 2013
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Wissenschaftler haben ein molekulares Netzwerk in humanen embryonalen Stammzellen (hES-Zellen) entschlüsselt, das Kommunikationssignale der Zellen aufnimmt, um Stammzellen in ihrem besonderen Zellzustand zu erhalten.

Mit der medizinischen Anwendung von hES-Zellen verbinden sich große Hoffnungen, daher werden sie von Wissenschaftlern auf der ganzen Welt untersucht. hES-Zellen zeichnen sich dadurch aus, dass sich aus ihnen alle anderen Zellarten bzw. Gewebe eines Organismus entwickeln können. Diese besondere Eigenschaft wird als Pluripotenz bezeichnet. Für die Aufrechterhaltung der Pluripotenz sind eine Reihe unterschiedlicher Faktoren erforderlich, zu denen unter anderem auch die Verwendung von Kommunikationswegen innerhalb der Zelle gehört.

Die Kommunikation einzelner Zellen untereinander ist eine Schlüsselfunktion von vielzelligen Lebewesen. Damit beispielweise aus dem noch undifferenzierten Gewebe eines Embryos spezifische Organe entstehen können, müssen ganze Gruppen von Zellen bestimmte Signale erhalten und ordnungsgemäß darauf reagieren. Fehler bei der Signalübertragung können dazu führen, dass Zellen falsch reagieren und Krankheiten wie zum Beispiel Krebs entstehen.
Die Kommunikationssignale, die in hES-Zellen verwendet werden, aktivieren eine Kettenreaktion, den sogenannten extrazellulär-regulierten Kinase (ERK)-Pathway. Dieser führt dazu, dass in jeder Zelle genetische Informationen aktiviert werden. Wissenschaftler des GIS (Genom-Institut Singapur) und des MPIMG (Max-Planck-Institut für molekulare Genetik) haben jetzt untersucht, um welche genetischen Informationen es sich dabei handelt. Dabei entdeckten sie ein ganzes Netzwerk für molekulare Kommunikation innerhalb der Zellen. Die Forscher untersuchten, wo ERK2, ein Mitglied der ERK-Familie, mit dem Genom interagiert. Sie fanden heraus, dass ERK2 gezielt nicht-kodierende Gene, Histone sowie spezifische Gene für den Zellzyklus, den Stoffwechsel und die Aufrechterhaltung der Pluripotenz der Stammzellen aktiviert.

Gesamtes Spektrum der genomischen Antwort

Der ERK-Signalweg enthält außerdem einen Transkriptionsfaktor, ELK1, der mit ERK2 interagiert und dadurch genetische Informationen aktiviert. Interessanterweise fanden die Forscher heraus, dass ELK1 noch eine zweite, völlig entgegengesetzte Funktion haben kann. An denjenigen Positionen im Genom, die nicht durch ERK2 aktiviert werden, unterdrückt ELK1 die genetische Information und erhält dadurch die Zelle in ihrem undifferenzierten Zustand. Die Studienautoren gehen davon aus, dass diese zweiseitige Kontrolle der genetischen Aktivität durch ELK1 mit dafür verantwortlich ist, dass eine Zelle im Zustand der Stammzelle verbleibt. Ihre Ergebnisse sind vor allem für Stammzellforscher interessant, unterstützen aber auch die Forschung in anderen benachbarten Gebieten.

Kolonie von menschlichen embryonalen Stammzellen (100fache Vergrößerung) © Bild: Jonathan Göke/Genome Institute of Singapore

„Der ERK-Signalweg ist bereits seit vielen Jahren bekannt, aber dies ist das erste Mal, dass wir das gesamte Spektrum der genomischen Antwort innerhalb der Stammzellen sehen können“, erläutert Jonathan Göke, Wissenschaftler am GIS in Singapur und Erstautor der Studie. „Wir haben eine Vielzahl an biologischen Prozessen gefunden, die mit diesem Signalweg verbunden sind. Zusätzlich konnten wir aber auch einige neue und völlig unerwartete Muster aufklären, wie beispielsweise die Doppelfunktion von ELK1. Sehr spannend wird es jetzt herauszufinden, wie sich dieses Kommunikationsnetzwerk in anderen Zellen und Geweben oder bei Krankheiten verhält beziehungsweise verändert.“

Einsatzmöglichkeiten und Grenzen

“Besonders beeindruckend ist an dieser Arbeit, wie mit Hilfe der Bioinformatik Informationen aus den experimentellen Daten herausgefiltert werden konnten“, urteilt Martin Vingron, Direktor am Max-Planck-Institut für molekulare Genetik in Berlin und Ko-Autor der Studie. Und Huck Hui Ng, Direktor des A*STAR Genom-Instituts Singapur ergänzt: „Die Ergebnisse sind deswegen so bedeutsam, weil sie das Signal-Netzwerk der Zelle und dessen Einbindung in das übergeordnete Regulationsnetzwerk beschreiben. Das Verständnis der Biologie von embryonalen Stammzellen ist ein erster Schritt, um die Einsatzmöglichkeiten und Grenzen eines medizinischen Einsatzes von embryonalen Stammzellen verstehen zu können.”

Originalpublikation:

Genome-wide Kinase-Chromatin Interactions Reveal the Regulatory Network of ERK Signaling in Human Embryonic Stem Cells
Jonathan Göke et al.; Molecular Cell, doi: 10.1016/j.molcel.2013.04.030; 2013

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