Ursprung der Stammzellen entdeckt

Der Transkriptionsfaktor WOX2 steuert die Entstehung von Stammzellen bei Pflanzen. Das konnten Wissenschaftler in einer aktuellen Studie zeigen. Das Protein ist dafür verantwortlich, dass Pflanzen ihr Leben lang neue Organe bilden können.

Pflanzen können ein Leben lang wachsen und immer wieder neue Wurzeln, Triebe, Blätter und Blüten ausbilden. Bei manchen Pflanzen funktioniert dieses System sogar über 1.000 Jahre lang. Verantwortlich dafür sind pluripotente Stammzellen, die sich in andere Zelltypen umwandeln und so neue Organe bilden können. Beim Menschen ist nur der Embryo in der Lage, neue Organe auszubilden. Somit sind Pflanzen nicht nur wegen des Potenzials zur Biomassebildung, sondern auch für die Aufklärung grundlegender Mechanismen von Stammzellen und biologischer Prinzipien ein geeignetes Modellsystem.

WOX2 verhindert Differenzierung von Stammzellen

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Wie Stammzellen im Laufe der Embryonalentwicklung entstehen, ist bisher nicht vollständig verstanden. Wissenschaftler der Universität Freiburg konnten nun zeigen, dass der Transkriptionsfaktor WOX2 in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana die Stammzellen daran hindert, sich zu spezialisierten Zellen auszubilden. Als spezialisierte Zellen würden die Stammzellen ihr unbegrenztes Entwicklungspotential verlieren. WOX2 ist ein Protein, von dem bisher nur bekannt war, dass es frühe Schritte bei der Anordnung von Stammzellen im Embryo steuert.

Stammzellen erst ab dem 3. Blatt notwendig

Bei Pflanzen befinden sich die Stammzellnischen in den Meristemen – den Orten, wo eine Pflanze neue Organe wie Blüten, Blätter, Stamm und Wurzel ausbilden. Meristeme befinden sich an den Wurzel- und Sprossspitzen sowie am Stamm bzw. Stengel. Um zu verstehen, wie sich Stammzellen entwickeln, haben Wissenschaftler verschiedene Mutanten genau untersucht. Dabei stellte sich heraus, dass die Entwicklung der ersten beiden Keimblätter einer Pflanze nicht von Stammzellen abhängt. Diese benötigt die Pflanze erst für ihre weiteren Entwicklungsschritte.

Ohne WUSCHEL: Stammzelldifferenzierung

Das Forschungsteam um Thomas Laux von der Universität Freiburg mutmaßte schon vor einigen Jahren, dass Pflanzen ohne Stammzellen nicht über dieses Zweiblattstadium hinaus wachsen können. Sie behielten Recht. Pflanzen, die sich so verhielten, beherbergten kein funktionsfähiges Gen, das einen Teil ihrer Stammzellen davor schützt, sich in spezialisierte Zellen umzuwandeln. Dem struppigen Phänotyp der mutierten Pflanze entsprechend nannten die Wissenschaftler das Gen WUSCHEL.

Laux und sein Team konnten zeigen, dass die Nachbarzellen der Stammzellen mit Hilfe des Transkriptionsfaktors WUSCHEL die Ableserate anderer Gene beeinflussen. WUSCHEL sorgt dafür, dass alle Stammzellen in einer Nische auch Stammzellen bleiben und sich nicht zu Organzellen ausdifferenzieren. Verlassen Stammzellen die Nische, erreicht sie das WUSCHEL-Signal nicht mehr und sie spezialisieren sich mit Hilfe anderer Botenstoffe zu Organzellen. WUSCHEL ist bereits im Embryo vorhanden, wenn sich die Stammzellen bilden. Für die Entstehung der Stammzellen kann WUSCHEL also nicht verantwortlich sein. An diesem Prozess ist der Transkriptionsfaktor WOX2 beteiligt.

WOX2 reguliert Pflanzenhormone

Pflanzen verfolgen offenbar eine ähnliche Strategie wie manche Tiere bei der Entstehung ihrer Stammzellen. Bei Arabidopsis reguliert WOX2 über Zwischenschritte die Balance der Pflanzenhormone Cytokinin und Auxin derart, dass sich relativ viel Cytokinin und wenig Auxin in den Vorläuferzellen der Stammzellen ansammeln.

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Genau diesen Mechanismus verwenden Pflanzenforscher schon seit mehreren Jahrzehnten, um einen Spross aus einer Wurzel oder einem Blatt zu regenerieren. Das ursprünglich in Gewebekulturen gefundene Verfahren spiegelt also letztlich den gleichen Mechanismus wider, den die Evolution schon viel früher gefunden hatte, um Stammzellen während der Embryogenese zu entwickeln.

Tierische und pflanzliche Stammzellen ähnlich reguliert

In tierischen Stammzellnischen sind ganz ähnliche Mechanismen aktiv, nur die beteiligten Moleküle sind nicht exakt dieselben – ein bemerkenswertes Phänomen, wenn man bedenkt, dass sich Tiere und Pflanzen während der Evolution im Einzell-Stadium voneinander getrennt haben, als noch keine Stammzellnischen vorhanden waren. In Pflanzen gewonnene Erkenntnisse lassen sich daher – zumindest teilweise – auch auf den Menschen übertragen.

Stammzellen können beispielsweise verletztes Gewebe ersetzen – auch beim Menschen. Daher setzen Ärzte und Patienten große Hoffnungen in die Stammzelltherapie bei der Behandlung von Parkinson oder Querschnittslähmung. Mit der aktuellen Studie bleiben solche Ansätze immer noch Zukunftsmusik, aber Stück für Stück bzw. Gen für Gen werden die Geheimnisse rund um die Stammzellen gelüftet –Wissen, das gelehrt, gelernt und genutzt werden wird.