Das Thema war in Wissenschaftskreisen lange diskutiert worden, jetzt scheint das Rätsel gelöst: Welche Zellen es Salamandern ermöglichen, dass ihnen verloren gegangene Gliedmaßen wieder nachwachsen, hat nun ein internationales Forscherteam herausgefunden: Indem es Position und Verhalten von Zellen nachverfolgten und einzelne Zellen molekular charakterisierten, konnte es zeigen, dass Bindegewebszellen stammzellartige Eigenschaften entwickeln und der Regeneration von Beinen zugrunde liegen. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht.

Unter allen vierbeinigen Tieren ist die Fähigkeit von Salamandern einzigartig, verloren gegangene Gliedmaßen sogar im Erwachsenenalter zu ersetzen. Das hat einige Salamander-Arten, wie zum Beispiel den mexikanischen Axolotl (Ambystoma mexicanum), zu beliebten Modellorganismen für die Erforschung regenerativer Fähigkeiten gemacht. Wenn ein Axolotl Gliedmaßen verliert, kommt es zur Anhäufung von Zellen in der Nähe des Stumpfes. Es bildet sich ein Gewebe, ein so genanntes Blastem. Dieses Blastem kann ein voll funktionsfähiges Bein nachwachsen lassen, welches aus vielen verschiedenen Geweben und Zelltypen wie Muskeln, Neuronen oder Bindegewebe besteht. Bis jetzt war unklar, wie ausgereiftes Gewebe Blastem-Zellen produzieren kann. Eine Studie, die in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht wurde, untersuchte Bindegewebszellen genauer, um dieses Problem zu beleuchten.

Es gab zwei mögliche Modelle zur Bildung eines Blastems: entweder verweilen die Stammzellen ruhend im Bindegewebe und warten darauf, dass sie benötigt werden; oder ausgereifte Bindegewebszellen reagieren auf den Verlust von Gliedmaßen durch „Entdifferenzierung“ in Extremitäten-Vorläuferzellen, ähnlich denen in einem Embryo. Bisher war es aufgrund der Vielzahl von Geweben, die in Gliedmaßen existieren, nicht möglich, eine Blastem-Vorläuferzelle zu isolieren und ihre Weiterentwicklung und -differenzierung in einem erwachsenen Axolotl nachzuverfolgen. Ein internationales Forscherteam aus Wien, Leipzig und Dresden hat diese Hürde nun genommen.

Molekulare Markierung in Bindegewebszellen

Die Wissenschaftler erstellten Stämme genetisch markierter Axolotl, die molekulare Markierungen in Bindegewebszellen enthielten. Sie verwendeten auch Einzelzell-RNA-Sequenzierung, um die Aktivität verschiedener Gene in spezifischen Zellen zu analysieren. Zusammen konnten die beiden Ansätze Ursprung und Entwicklung von Blastem-Vorläuferzellen nachverfolgen und ihre molekularen Profile im Verlauf der Regeneration von Extremitäten charakterisieren.

Eine besondere Herausforderung war die Schaffung der transgenen Axolotl-Linien, die einzelne Gewebetypen molekular markieren. Die Transgenese in Axolotls ist zeitaufwendig, da es ein Jahr dauert, bis ein Axolotl-Embryo das Erwachsenenalter erreicht und sich fortpflanzen kann. Die Studien wurden am Forschungsinstitut für Molekulare Pathologie (IMP) in Wien, am Max-Planck-Institut für evolutionäre Anthropologie (MPI-EVA) in Leipzig und am Zentrum für Regenerative Therapien in Dresden (CRTD) durchgeführt.

Die Forschenden zeigten, dass Blastem-Vorläuferzellen sich aus ausgereiften Fibroblasten entwickeln. Wenn Gliedmaßen verloren gehen, dann „entdifferenzieren“ sich diese ausgereiften Zellen in Bindegewebs-Vorläuferzellen, die den Zellen ähnlich sind, die man in embryonalen Gliedmaßenknospen findet. Die Studien konnten keinen Hinweis auf das Vorhandensein bereits existierender Vorläuferzellen finden, von denen einige Wissenschaftler angenommen hatten, dass sie der Grund für die herausragende Begabung des Axolotls sind, Gliedmaßen und Organe nachwachsen zu lassen.

„Die enorme Regenerationsfähigkeit des Axolotls hat mich schon immer erstaunt, und es war toll, nun gemeinsam mit dem Tanaka-Labor diesen faszinierenden Prozess zu untersuchen“, sagt Erstautor Tobias Gerber vom MPI für evolutionäre Anthropologie in Leipzig. „Mithilfe einer neuen Methode, mit der wir die Genexpression in Tausenden einzelnen Zellen messen können, haben wir untersucht, wie einzelne Axolotl-Zellen ihr Genom nutzen, um einen Arm zu regenerieren. Wir haben herausgefunden, dass der Axolotl eine ausgereifte Zelle in eine embryonal-ähnliche Vorläuferzelle umwandeln und den embryonalen Entwicklungsprozess wiederholen kann, um einen neuen Arm wachsen zu lassen.“

Die Ergebnisse sind bahnbrechend, nicht nur, weil sie nun eine lange Debatte in der Entwicklungsbiologie auflösen, sondern auch weil sie für das Verständnis der Regeneration bei Säugetieren von großer Bedeutung sind. Auch bei diesen reagieren Fibroblasten auf Verletzungen durch Differenzierung – sie verwandeln sich in Myofibroblasten, die dann Narben bilden. Was genau unterscheidet Axolotl-Fibroblasten, das sie dazu befähigt, Stammzelleigenschaften zu entwickeln und komplexe Körperteile zu ersetzen? Die Suche nach der Antwort auf diese Frage wird das nächste Kapitel auf dem wissenschaftlichen Weg zu einem besseren Verständnis regenerativer Fähigkeiten einläuten.

Publikation:
Gerber, T., Murawala, P., Knapp, D., Masselink, W., Schuerz, M., Hermann, S., Gac-Santel, M., Nowoshilow, S., Kagejama, J., Khattak, S., Currie, J., Camp, J. G., Tanaka, E. M., Treutlein, B. Single-cell transcriptomics uncovers convergence of cell identities during axolotl limb regeneration. Science, 27 September 2018.