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09.03.2010

Körperzellen in Alleskönner zu reprogrammieren, hat die Stammzellforschung revolutioniert. Diese sogenannten induzierten pluripotenten Stammzellen (iPS) (siehe Kasten links) bieten eine wichtige Alternative zu den embryonalen Stammzellen. Denn um letztere herzustellen, müssen Embryonen zerstört werden, was ethisch umstritten ist.

Wissenschaftler haben in vielen Experimenten gezeigt, dass iPS-Zellen tatsächlich die gleichen Fähigkeiten besitzen, sich in jede Zelle des Körpers zu verwandeln, wie embryonale Stammzellen das vermögen. Es gelang Forschern sogar, aus ihnen ein völlig neues Tier zu klonen.

Doch was passiert wirklich im Inneren dieser Zellen? Schließlich wurde der Alleskönnerzustand künstlich hervorgerufen, indem man bestimmte Gene einschleust, die in embryonalen Stammzellen (ES) hoch aktiv sind. Lösen diese genetischen Schalter in iPS-Zellen tatsächlich auch im Detail die gleichen biochemischen Abläufe aus, wie sie in ES-Zellen stattfinden?

Wissenschaftler um Alessandro Prigione und James Adjaye vom Max Planck Institut für molekulare Genetik in Berlin haben iPS-Zellen nun genau untersucht und sich vor allem auf Alterungsprozesse konzentriert. Im Fachmagazin "Stem Cells" kommen sie zu dem Ergebnis: Die Kraftwerke der Zellen, die Mitochondrien, werden durch die Reprogrammierung gleichsam verjüngt.

Viele Gemeinsamkeiten zwischen iPS- und ES-Zellen

Für das Altern spielen mehrere Faktoren wahrscheinlich eine Rolle: Es gibt Theorien, dass bei der Endstation der Verdauung in den Mitochondrien sogenannte freie Radikale entstehen. Diese aggressiven Moleküle schädigen Proteine, Zellemembranen und das Erbgut - manche Wissenschaftler sehen darin einen Grund für das Altern.

Prigione und seine Kollegen verglichen nun menschliche iPS- mit ES-Zellen hinsichtlich ihrer Mitochondrien sowohl untereinander als auch diese beiden Stammzelltypen mit ausdifferenzierten Bindegewebszellen. Die iPS-Zellen stellten sie nach der klassischen Methode her: Sie schleusten in Zellen der Vorhaut von Neugeborenen mittels Viren die vier Reprogrammier-Gene Klf4, Oct4, Sox2 und c-Myc ein und züchteten daraufhin die zu Alleskönnern reprogrammierten Zellen in Kultur.

Tatsächlich fanden sie viele Gemeinsamkeiten zwischen iPS- und ES-Zellen:

• Mitochondrien-Gene waren in allen Zellen aktiv.
• in iPS und ES-Zellen fanden sie im Vergleich zu den Körperzellen verminderte Aktivität von Genen, die auf oxidativen Stress durch freie Radikale reagieren.
• Mitochondrien haben ihre eigene DNA. Diese lag in iPS- und ES-Zellen in verminderter Kopienanzahl vor als in Körperzellen.
• iPS-Zellen haben wenige und kurze, runde Mitochondrien, die genau wie die von ES-Zellen aussehen; Körperzellen hingegen haben lange schlauchförmige Mitochondrien.
• die Mitochondrien in iPS- und ES-Zellen sind weniger aktiv, der Stoffwechsel läuft - anders als in Körperzellen - vorwiegend im anaeroben Modus, also unter geringem Sauerstoffverbrauch.
• in iPS und ES-Zellen waren die Schäden durch freie Radikale geringer als in Körperzellen.

Anhand von iPS-Zellen werden auch Krankheiten erforscht. Die nun untersuchten Eigenschaften der iPS-Mitochondrien werden nach Ansicht der Wissenschaftler für die weitere Forschung wichtig sein. Denn es gibt bei Parkinson und Alzheimer viele Hinweise, dass die Mitochondrien eine entscheidende Rolle bei der Krankheitsentstehung spielen.