Differenzierung von Stammzellen

Wie wird aus einer undifferenzierten Stammzelle eine Körperzelle? Warum bleiben KörperZellen unverändert, wenn sie erst einmal ausdifferenziert sind?

Was bestimmt die Differenzierung?

• Jeder Zellkern enthält die identische DNA-Information.
• Diese Information ist totipotent! (→ Kerntotipotenz).
• Dennoch unterscheiden sich Körperzellen in ihrer Struktur, Funktion, Anatomie, Lebensdauer ...

Ein Experiment an Mäusen zeigt Folgendes:

Verpflanzt man Knochenmarksstammzellen in das Gehirn einer Maus, entwickelt sich aus ihnen Nervengewebe! Die umgebenden Zellen beeinflussen die Knochenmarkszellen in der Art und Weise ihrer Zelldifferenzierung!

Experimente von Spemann & Mangold:

In einem mikrochirurgischen Experiment beobachteten Hans Spemann und Hilde Mangold folgendes Phänomen:

Die Forscher transplantierten Gewebe, das sich bereits im Entwicklungsstadium der Gastrulation befand, in einen noch nicht so weit entwickelten Molchembryo. Zu beobachten war eine – von den transplantierten Zellen ausgelöste – zweite Gastrulation!

Als Folge der doppelten Organisatorregionen entstehen zusätzliche Körperstrukturen auf einem einzigen Embryo (→ sogenannter Spemann-Organisator).

Warum behalten Zellen ihre Funktion bei?

• bleiben aufgrund ihrer spezifischen Umwelt differenziert
• Wählt man geeignete Bedingungen, so wäre es möglich, Zellen zu „entdifferenzieren”.

Beispiel Teratokarzinom oder Teratom
In diesen zystenartigen Tumoren, die sich in der Regel aus Keimzellen bilden, sind unterschiedlichste Gewebe zu finden. So sind im Innenraum der Zyste meist Haare, Zähne oder Hautzellen mit Talgdrüsen usw. ausgebildet. Vertreten sind Zellen aller drei Keimblätter.
Bei Frauen sind diese Tumoren meist harmlos, bei Männern hingegen immer bösartig.
Da der Tumor Stammzellen bildet, die dann zu Haaren, Zähnen, Haut differenzieren, ist diese Tumorform ein wichtiges Forschungsobjekt für Entwicklungsbiologen.

Differenzielle Exprimierung

Der Vergleich von z. B. Nerven- und Blutzellen verdeutlicht, dass jeder Zelltyp eigene Funktionen übernimmt. So transportieren Erythrozyten z. B. Sauerstoff. Das benötigte Genprodukt ist das ß-Globin, als Bestandteil des Hämoglobinproteins. Sowohl der Zellkern der Nervenzelle als auch der Zellkern der sich entwickelnden Blutzelle besitzen dieses Gen. Durch DNA-Hybridisierung ist es in beiden Zellen nachzuweisen.

Die mRNA des ß-Globins (und damit das Protein als Genprodukt) findet sich hingegen nur in den Blutzellen!

Induzierte pluripotente Stammzellen

• „reprogrammierte“ Stammzellen, die aus nichtpluripotenten somatischen Zellen entstehen
• Hormone, Wachstumsfaktoren oder Induktoren können eine ausdifferenzierte Körperzelle in eine bestimmte Stammzellart umwandeln.

Aus embryonalen Stammzellen können sich die unterschiedlichsten Zelltypen entwicklen.

Chimären

• bis 8-Zell-Stadium

• Durch Vermischen der 8-Zell-Stadien zweier verschiedener für ein Merkmal reinerbiger Mäuse entsteht eine Chimäre: ein Organismus, der Erbinformationen aus verschiedenen befruchteten Eizellen enthält (hier: genetisch gemischte Maus).