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Neues aus der Welt der Wissenschaft |
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Wie Keimbahnzellen ihr Ziel finden |
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| | | Keimbahnzellen geben die Erbinformationen von einer Generation zur Nächsten weiter. In der frühen Entwicklungsphase des Embryos wandern diese Zellen zu jenen Stellen an denen sich später die Geschlechtsorgane bilden. Bisher war unklar, wie die Keimbahnzellen ihren Weg dorthin finden. Jetzt konnte entschlüsselt werden welche Markierung die Zellen zur Orientierung nutzen und mit welchen Sensoren sie diese Wegweiser wahrnehmen. |
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Jede Zelle enthält die gesamte Erbinformation eines Tieres, aber nur eine kleine Gruppe hoch spezialisierter Zellen kann diese an die nächste Generation weitergeben - die Keimbahnzellen. Sie sind die Vorläufer der Samen- und Eizellen.
Während der Befruchtung verschmelzen Samen- und Eizelle miteinander und begründen die nächste Generation, die ihrerseits wiederum ihre Erbinformation über die Keimbahn an die folgende Generation übermittelt. In diesem Sinne fungieren Keimbahnzellen als verbindendes Glied zwischen den Generationen.
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Auf der Suche nach Wegweisern |
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Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Entwicklungsbiologie machten sich auf die Suche nach Wegweisern für Keimbahnzellen.
Hierzu testeten sie Tausende von Zebrafisch-Embryonen, in denen durch genetische Veränderung zufällig einzelne Proteine inaktiviert worden waren.
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Verloren wie "Odysseus" |
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Dabei entdeckten sie eine Mutation, die dazu führt, dass die Keimbahnzellen nicht zu den Gonaden wandern, sondern sich wie zufällig im Embryo verteilen.
Da viele Keimbahnzellen in diesen Mutanten auf ihrem Weg zu den Gonaden - vergleichbar den Gefährten des Odysseus auf ihrer Heimreise - verloren gehen, nannten die Forscher diese Mutante in Anlehnung an Homers Gesänge "Odysseus".
Die Ergebnisse ihrer Arbeit veröffentlichten die Wissenschaftler in der Online-Ausgabe des Wissenschaftsmagazins "Nature", AOP.
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"A zebrafish homologue of the chemokine receptor Cxcr4 is a germ cell" von Holger Knaut, Christian Werz, Robert Geisler, The Tübingen 2000 Screen Consortium and Christiane Nüsslein-Volhard.
Nature, Advance Online Publication (AOP), |
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 Der Artikel in AOP |
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Werden Wegweiser nicht erkannt oder sind sie unleserlich? |
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Mit einem genetischen Trick gelang es den Forschern, die Keimbahnzellen mit einem grün fluoreszierenden Protein (GFP) zu markieren und in lebenden Embryonen zu studieren. Ihre Beobachtungen zeigen, dass sich Keimbahnzellen in Odysseus-Embryonen zwar noch bewegen können, letztendlich aber ziellos durch den Embryo wandern.
Hierfür gibt es zwei mögliche Erklärungen: Entweder verhindert die Odysseus-Mutation, dass Keimbahnzellen die Wegweiser zu den Gonaden "erkennen" können, oder die Mutation macht die Wegweiser unleserlich. In beiden Fällen würden die Keimbahnzellen ihre Orientierung verlieren.
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Entwicklung der Keimbahn
Die Entwicklung der Keimbahn lässt sich in zwei Phasen einteilen. Schon während der frühen Entwicklung des Embryos spezifizieren sich die Keimbahnzellen und grenzen sich von den übrigen (somatischen) Zellen des Körpers ab. Nach ihrer Ausdifferenzierung beginnen die Keimbahnzellen sich zu teilen und wandern dann durch den Embryo zu jener Stelle, an der sich später die Geschlechtsorgane (Gonaden) bilden. Während man bei Studien in Fliegen und Mäusen bereits viele Faktoren aufgespürt hat, die bei der Bildung von Keimbahnzellen eine Rolle spielen, war es bisher nicht klar, wie Keimbahnzellen ihren Weg durch den Embryo finden. |
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Mutation macht Wegweiser unsichtbar |
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Doch bisher war weder bekannt, auf welcher molekularen Grundlage die Wegweiser funktionierten, noch auf welche Weise diese von den Keimbahnzellen wahrgenommen werden.
Der Test durch klassische Transplantationsexperimente brachte Klarheit: Odysseus-Keimbahnzellen sind blind für die Wegweiser zu den Gonaden. Die Mutation inaktiviert ein Genprodukt, dass die Signale "sichtbar" macht.
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Keimbahnzellen finden ihren Weg durch einen Zebrafisch-Embryo zu den Gonaden mit Hilfe des Rezeptor cxcr4 und des wegweisenden Liganden SDF-1. Während die Keimbahnzellen normalerweise zum Schwanzansatz des Zebrafisch-Embryos wandern, wo sich dann die Gonaden bilden (Abb. a), führen verminderte Mengen an funktionellen cxcr4-Rezeptoren (Abb. b) oder SDF-1 Liganden (Abb. c) zu orientierungslos dahin wandernden Keimbahnzellen.
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Ein wichtiger und vielseitiger Rezeptor wird gestört |
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Die Wissenschaftler stellten fest, dass in Odysseus-Embryonen ein bekannter Rezeptor mit dem Namen cxcr4b gestört ist. Interessanterweise gehört cxcr4b zu einer Gruppe von Rezeptoren, die auch bei ganz anderen Zellwanderungen eine Rolle spielt.
So nutzen Leukozyten ähnliche Rezeptoren, um Bakterien im Körper aufzuspüren, zu jagen und dann unschädlich zu machen. Schleimpilze sind auf diese Rezeptoren in Hungerzeiten angewiesen, um einander zu finden und Sporen zu bilden.
Und in Menschen und Mäusen spielt cxcr4 eine wichtige Rolle bei der Infektion von T-Zellen durch HIV, aber auch bei der Zellwanderung von B-Zellen und Neuronen
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Entscheidender Hinweis aus der Immunologie |
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Einen wichtigen Hinweis haben die Max-Planck-Wissenschaftler aus der immunologischen Forschung bekommen, wo intensive Studien in Zellkultur und Mäusen so genannte stromal cell derived factor 1, kurz SDF-1, als Kopplungspartner (Liganden) von cxcr4 identifiziert hatten.
Dies legte nahe, dass SDF-1 auch während der Wanderung der Keimbahnzellen der Ligand (Kopplungspartner) für cxcr4b ist.
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Verdacht bestätigt |
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Die Analyse von SDF-1 in den Zebrafischembryonen bestätigte diese Vermutung. Die Forscher fanden nicht nur, dass SDF-1 im Embryo entlang der Wegstrecke von wandernden Keimbahnzellen angeschaltet wurde, sondern auch, dass bei verminderten Mengen von SDF-1 die Keimbahnzellen orientierungslos wurden.
Genau wie die Odysseus-Keimbahnzellen, denen der SDF-1 Rezeptor cxcr4b fehlt.
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Der Wegweiser: SDF-1, das "Auge": der Rezeptor cxr4 |
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Darüber hinaus stellte sich heraus, dass SDF-1 sogar in der Lage ist, Keimbahnzellen von ihrem natürlichen Weg abzubringen und an falsche Orte zu locken.
Beispielsweise wanderten die Keimbahnzellen zum Kopf von Zebrafisch-Embryonen, wenn SDF-1 dort durch einen Trick angeschaltet wurde.
Bildlich gesprochen "sehen" die Keimbahnzellen somit die Wegweiser-Moleküle SDF-1 mit dem Rezeptor cxcr4 und finden so ihren Weg durch den Embryo.
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01.01.2010 |
