Ruhende Hirnstammzellen unterscheiden sich kaum von normalen Astrozyten, die die Nervenzellen im Gehirn unterstützen. Wie können nahezu identische Zellen so unterschiedliche Funktionen erfüllen? Der Schlüssel liegt in der Methylierung ihres Erbguts, die diesen besonderen Astrozyten Stammzelleigenschaften verleiht. Wissenschaftler aus dem Deutschen Krebsforschungszentrum und der Universität Heidelberg haben ihre Ergebnisse im Fachjournal Nature veröffentlicht . Die Forscher zeigten an Mäusen, dass eine experimentell herbeigeführte Unterversorgung des Gehirns Astrozyten epigenetisch in Hirnstammzellen umprogrammiert, aus denen wiederum Nervenvorläuferzellen entstehen können. Diese Entdeckung zeigt, dass Astrozyten möglicherweise in der regenerativen Medizin eingesetzt werden könnten, um geschädigte Nervenzellen zu ersetzen.
Im Gehirn arbeiten viele verschiedene Zelltypen zusammen. Beim Menschen machen Nervenzellen (Neuronen) weniger als die Hälfte der Zellen aus. Der Rest wird als „Glia“ bezeichnet. Die häufigsten Gliazellen sind Astrozyten. Sie versorgen die Neuronen mit Nährstoffen, sind Teil der Blut-Hirn-Schranke, regulieren die Synapsen und unterstützen die Immunzellen.
Ein kleiner Teil der Astrozyten ist allerdings in der Lage, Nervenzellen und andere Arten von Gehirnzellen zu produzieren. Diese speziellen Astrozyten werden deshalb auch als Gehirnstammzellen bezeichnet. In ihrer Genexpression, also in der Aktivität ihrer Gene, unterscheiden sich Gehirnstammzellen und gewöhnliche Astrozyten kaum. „Wie sie so unterschiedliche Funktionen erfüllen können und was die Stammzelleigenschaften ausmacht, war bislang völlig unklar“, erklärt Ana Martin-Villalba, Stammzellforscherin am DKFZ.
Um dieses Rätsel zu lösen, isolierten die Teams um Martin-Villalba und Simon Anders (Universität Heidelberg) sowohl gewöhnliche Astrozyten als auch Gehirnstammzellen aus einer der Hirnregionen, in denen sich bei erwachsenen Mäusen noch junge Neuronen entwickeln, der „ventrikulär-subventrikulären Zone“ (vSVZ). Die Forscher analysierten die Genexpression auf der Ebene einzelner Zellen mittels mRNA-Sequenzierung sowie die Methylierungsmuster („Methylom“) im gesamten Genom. Zur Analyse der Methylierungsdaten verwendeten sie ein speziell entwickeltes Tool*.
Bei der DNA-Methylierung handelt es sich um chemische „Markierungen“, mit denen die Zelle ungenutzte Teile ihrer DNA abschalten kann. Die Methylierung ist daher entscheidend für die Identität der Zellen.
Dabei fiel den Stammzellexperten auf, dass Hirnstammzellen ein spezielles DNA-Methylierungsmuster aufweisen, das sie von anderen Astrozyten unterscheidet. „Anders als in normalen Astrozyten sind in Hirnstammzellen bestimmte Gene demethyliert, die sonst nur von Nervenvorläuferzellen genutzt werden. Dadurch können die Hirnstammzellen diese Gene aktivieren, um selbst Nervenzellen zu produzieren“, erklärt Lukas Kremer, Erstautor der aktuellen Publikation. Co-Erstautor Santiago Cerrizuela ergänzt: „Gewöhnlichen Astrozyten bleibt dieser Weg verwehrt, da die dafür benötigten Gene durch die DNA-Methylierung blockiert sind.“
