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Reprogrammierung

Forscher erschaffen Stammzellen mit Hilfe eines einzigen Gens

Von Jens Lubbadeh

Wichtiger Fortschritt in der Genforschung: Deutsche Wissenschaftler haben Mäuse-Hirnzellen in Alleskönner-Stammzellen verwandelt, indem sie ein einziges Gen einschleusten. Sie züchteten daraus Herz-, Nerven- und Keimzellen - und einen Fötus.

Es ist der nächste Streich aus dem Labor des Stammzellforschers Hans Schöler. Ihm und seinen Kollegen Jeong Beom Kim, Holm Zaehres und anderen vom Max-Planck-Institut für molekulare Biomedizin ist es gelungen, adulte Stammzellen durch das Einschleusen nur noch eines einzelnen Gens zu Alleskönner-Zellen umzuprogrammieren.

MPI Münster / Jeong Beom Kim

Reprogrammierte Zelle: Mit nur einem Gen pluripotent gemacht

Der Trick: Schöler und sein Team reprogrammierten nicht irgendwelche Körperzellen, sondern adulte Stammzellen aus dem Gehirn der Maus. "In diesen Zellen sind die restlichen Gene schon stark präsent", sagte Schöler zu SPIEGEL ONLINE. Daher war die Zugabe nur noch eines einzigen der vier Reprogrammiergene nötig, nämlich Oct4.

In einer spezialisierten Körperzelle ist der Hauptteil des Erbguts inaktiviert, da er für die ausgewählte Funktion dieser Zelle nicht mehr benötigt wird. Schleust man mit Hilfe eines Retrovirus vier Gene ein - Sox2, c-Myc, Oct4 und Klf4 -, werden die Körperzellen wieder zu Alleskönner-Zellen.

Die neue Studie zeigt, dass es sich bei Oct4 möglicherweise um ein Schlüsselgen für die Reprogrammierung handeln könnte. Seine Funktion ist laut Schöler noch immer unverstanden.

Von den Fähigkeiten her sind die entstehenden pluripotenten Stammzellen (iPS) embryonalen Stammzellen vergleichbar. Aus ihnen lassen sich alle beliebigen Körperzellen züchten.

STAMMZELLEN - DIE ZELLULÄREN MULTITALENTE

Embryonale Stammzellen (ES)

DPA

Sie gelten als die zellulären Alleskönner: Reift eine befruchtete Eizelle zu einer Blastozyste, einem kleinen Zellklumpen, heran, entsteht in deren Inneren eine Masse aus embryonalen Stammzellen. Die noch nicht differenzierten Stammzellen können sich zu jeder Zellart des menschlichen Körpers entwickeln. Voraussetzung ist, dass sie mit den richtigen Wachstumsfaktoren behandelt werden.

Induzierte pluripotente Stammzellen (iPS)

MPI Münster / Jeong Beom Kim

Körperzellen einfach in Stammzellen umprogrammieren - das gelang Forschern durch das Einschleusen ganz bestimmter Steuerungsgene. Aus den dabei entstandenen maßgeschneiderten Stammzellen züchteten sie erfolgreich verschiedene Körperzellen. Diese Methode ist nicht nur elegant, sondern auch ethisch unbedenklich, da dabei kein Embryo hergestellt und zerstört wird. Allerdings birgt die Methode noch Risiken, weil für das Einschleusen der Gene Viren benötigt werden. Die Gene werden vom Virus verstreut im Genom eingebaut, wichtige Gene der Zelle können dabei beschädigt werden, die Zelle kann entarten. Es besteht Krebsgefahr. Zudem bauen auch die Viren ihr Erbgut ein. Forschern gelang jedoch mittlerweile die Reprogrammierung ohne Viren und mit anschließender Entfernung der Gene.

Proteininduzierte pluripotente Stammzellen (piPS)

Zellen reprogrammieren - nur durch Zugabe von Molekülen und ohne Veränderung des Erbgutes. Dies gelang Forschern erstmals im April 2009. Damit räumten sie potentielle Risiken aus, die das Einschleusen der Reprogrammiergene barg.

Keimbahn abgeleitete pluripotente Stammzellen (gPS)

Keimbahn-Stammzellen können normalerweise nur Spermien erzeugen. Aber man kann sie auch in pluripotente Stammzellen verwandeln. Diese germline derived pluripotent stem cells (gPS) bieten ein großes Potential, denn ihr Erbgut ist noch relativ unbeschädigt. Forschern gelang die Verwandlung an Hodenzellen von Mäusen - nur durch ganz bestimmte Zuchtbedingungen.

Adulte Stammzellen

Nicht nur Embryonen sind eine Quelle der Zellen, aus denen sich verschiedene Arten menschlichen Gewebes entwickeln können. In etwa 20 Organen inklusive der Muskeln, der Knochen, der Haut, der Plazenta und des Nervensystems haben Forscher adulte Stammzellen aufgespürt. Sie besitzen zwar nicht die volle Wandlungsfähigkeit der embryonalen Stammzellen, bereiten aber auch keine ethischen Probleme: Einem Erwachsenen werden die adulten Stammzellen einfach entnommen und in Zellkulturen durch Zugabe entsprechender Wachstumsfaktoren so umprogrammiert, dass sie zu den gewünschten Gewebearten heranreifen.

Ethik und Recht

Die Stammzellforschung birgt ethische Konflikte. Embryonale Stammzellen werden aus Embryonen gewonnen, die entweder eigens hergestellt werden oder bei künstlichen Befruchtungen übriggeblieben sind. Dabei wird der Embryo zerstört. Die Argumentation der Befürworter: Die Embryonen würden ohnehin vernichtet. Kritiker sprechen dagegen von der Tötung ungeborenen Lebens.

In Deutschland ist das Herstellen menschlicher Embryonen zur Gewinnung von Stammzellen verboten. In Ausnahmefällen erlaubt das Gesetz aber den Import von Stammzellen, die vor dem 1. Mai 2007 hergestellt wurden. In Großbritannien und Südkorea ist das therapeutische Klonen ausdrücklich erlaubt, ebenso in den USA.

Dass man mit vier Genen lahmgelegte Bereiche des Erbguts reaktivieren kann, hatten Forscher um Shinya Yamanaka im Jahr 2007 gezeigt. Ihnen gelang es, Haut- und Bindegewebszellen zu Stammzellen umzuprogrammieren. Schölers nur noch mit Oct4 reprogrammierte Zellen waren nun genauso gut wie die Yamanakas. Die Forscher züchteten daraus Herz-, Nerven- oder Keimzellen - und noch mehr: "Wir haben aus den induzierten Stammzellen auch Keimzellvorläufer entwickelt, die sich zu einem Fötus entwickelt haben", sagt Schöler. "Wenn Sie das zeigen können, ist alles andere obsolet."

Thomas Skutella, Stammzellforscher an der Universität Tübingen, bewertet Schölers neue Arbeit auf SPIEGEL ONLINE als "eine weitere sehr wichtige Arbeit bei der Weiterentwicklung von induzierbaren pluripotenten Stammzellen".

Die Forscher gaben die iPS-Zellen zu Maus-Embryonen, in die sie sich integrierten. Die Forscher konnten die mit Oct4 reprogrammierten Zellen im Embryo-Gewebe genau nachverfolgen, weil das Oct4 mit einem Fluoreszenz-Gen markiert war und die Zellen unter dem Mikroskop leuchteten. Sie bildeten in den Embryonen Magen-, Nieren-, Bauchspeichel-Drüsen- und Lippengewebe aus. In den geborenen und erwachsenen Mäusen fanden die Forscher sie sogar im Hoden.

Nur noch ein Gen für die Reprogrammierung zu benötigen, ist ein weiterer Erfolg. Dennoch ist das Ziel für Schöler klar: "Nun müssen wir noch Oct4 loswerden."

Denn die Reprogrammiermethode birgt Krebsrisiken. Zwar ist das Krebsgen c-Myc nicht mehr nötig. Aber die Einbringung der Gene mittels Retroviren ist ein Nachteil: Die Viren bauen ihr eigenes Erbgut ein. Für eine therapeutische Anwendung am Menschen muss die Reprogrammierung daher noch verfeinert werden - ohne Retroviren.

Außerdem ist die Verwendung von Stammzellen aus dem Gehirn unpraktisch. Wollte man die Methode am Menschen anwenden, müssten Patienten aufwendig aus dem Hirn Zellen entnommen werden - die Methode muss sich also bei menschlichen Zellen erst noch bewähren. Schöler: "Daran arbeiten wir."