Die Rolle von Eed im Verlauf neuraler Stammzellentwicklung

Höhere Hirnfunktionen wie z.B. sensorische Wahrnehmung oder komplexes Verhalten wie räumliches Denken oder Sprache werden im Kortex ausgeführt. Der Kortex besteht aus einer Vielzahl unterschiedlicher Neuronen, Gliazellen und Stammzellen, welche von radialen gliaartigen Vorläuferzellen (RGPs) während des Embryonalentwicklung produziert werden. Welche Mechanismen regulieren das Verhalten von RGPs, so dass der Kortex korrekt aufgebaut wird? Es scheint, dass Epigenetik hierbei eine wichtige Rolle spielt. Epigenetische Mechanismen führen Veränderungen in der DNA-Struktur herbei, ohne dabei die DNA-Sequenz zu verändern. Dieses Projekt fokussiert sich auf eine bestimmte epigenetische Modifikation, deren Anbringen durch das Protein eembryonic ectoderm development (EED) unterstützt wird. EED ist ein deshalb interessantes Protein, da seine Rolle in der Entwicklung des Kortex bislang kaum bekannt ist. Um die Funktion von EED während der Gehirnentwicklung zu untersuchen, werde ich ein einzigartiges genetischen Modellsystem namens Mosaic Analysis with Double Markers (MADM) anwenden. Mit MADM ist es möglich, individuelle Zellen innerhalb eines gesunden Gewebes genetisch zu verändern und sie dabei gleichzeitig mit einer Farbe zu kennzeichnen. Genetisch veränderte (mutante) Zellen werden grün markiert, während gesunde Zellen eine rote Markierung erhalten. Dadurch sind die Zellen einfach aufzufinden und zu untersuchen. Wir können herausfinden, ob das Mutieren von EED in einzelnen RGPs die Anzahl der produzierten Stammzellen, Neuronen oder Gliazellen während der Embryonalentwicklung verändert. Die MADM Technologie ist das einzige Modellsystem, mit dem wir herausfinden können, ob es einen Unteschied macht ob EED-mutante Zellen von gesunden Zellen oder von anderen EED-mutanten Zellen umgeben sind. Durch die Anwendung von modernsten Sequenzier-Methoden kann ich wichtige molekulare Faktoren in den farbmarkierten Zellen identifizieren, die von EED in RGPs kontrolliert werden. Mit den Ergebnissen dieser Studie kann ein fundierteres Wissen über Faktoren gewonnen werden, welche die Entwicklung des Kortex regulieren. Wenn wir diesen Prozess besser verstehen, können Krankheiten genauer diagnostiziert und behandelt werden. Somit wird meine Forschung zu einer besseren Charakterisierung und Behandlung von neurologischen Krankheiten wie Autismus, pychiatrischen Abnormalitäten oder Gehirntumoren beitragen können.

NICOLE AMBERG - PROJECT T 1031: HERTHA FIRNBERG FELLOWSHIP "THE ROLE OF EED IN NEURAL STEM CELL LINEAGE PROGRESSION" In ihrem Projekt behandelte Dr. Amberg die Frage, wie ein Gehirn der richtigen Größe und Zellzusammensetzung gebildet wird. Im Laufe der embryonalen Entwicklung spulen die Stammzellen der Großhirnrinde eine Reihe von genetischen Programmen ab um nach einem festgelegten zeitlichen Muster eine große Vielfalt von Zellarten zu produzieren. Dabei werden zuerst unterschiedliche Nervenzellen erzeugt, gefolgt von diversen Glia-Zelltypen. Welche molekularen und zellulären Mechanismen werden nun benötigt, um diesen Ablauf zu kontrollieren? Die Epigenetik stellt einen wichtigen Mechanismus dar um dieses komplexe Entwicklungsmuster zu regulieren. Epigenetische Mechanismen führen Veränderungen in der DNA-Struktur herbei, ohne dabei die DNA-Sequenz zu verändern. Dieses Projekt fokussiert sich auf eine bestimmte epigenetische Modifikation, deren Anbringen durch das Protein "embryonic ectoderm development", kodiert durch das Gen Eed, unterstützt wird. Im Laufe dieses Projekts konnte Dr. Amberg in einer internationalen Kollaboration bereits erfolgreich zeigen, dass EED für die zeitgerechte Aktivierung der einzelnen Programme von entscheidender Bedeutung ist. In einem weiteren Schritt wurde die Rolle von Eed auf der Ebene der Einzelzelle untersucht um herauszufinden, auf welche Art und Weise Eed seine Funktion in den Stammzellen genau erfüllt. Ihre Ergebnisse zeigten, dass eine einzige Eed-mutante Zelle innerhalb einer normalen zellulären Umgebung keine Beeinträchtigung in der Produktion der Nervenzellen der Großhirnrinde aufweist. Im Gegensatz dazu führt eine Mutation von Eed in sämtlichen Stammzellen der Großhirnrinde zu einer stark verminderten Nervenzellproduktion und damit einem zu kleinen Gehirn. Diese Ergebnisse veranschaulichen, dass die genetische Beschaffenheit der zellulären Umgebung einen starken Einfluss auf die epigenetische Regulierung molekularer Entwicklungsprogramme in einzelnen Stammzellen ausübt. In einer detaillierten Untersuchung der späteren Abläufe der Entwicklung der Großhirnrinde - der Entstehung von Gliazellen - konnte Dr. Amberg feststellen, dass einzelne Eed-mutante Gliazellen weniger Zellteilungen aufwiesen. Dies führte dazu, dass insgesamt weniger Gliazellen erzeugt wurden. Zusammengefasst konnte dieses Forschungsprojekt aufdecken, dass Eed stufenweise in einzelnen Stammzellen benötigt wird um die Entstehung einer korrekt zusammengesetzten Großhirnrinde zu steuern. Darüber hinaus wird Eed in der Gesamtheit aller Stammzellen benötigt um sicher zu stellen, dass keine allumfassende systemische Beeinträchtigung des biologischen Entwicklungsprogramms der Großhirnrinde erfolgt. Diese Resultate unterstreichen die Bedeutung der Wechselwirkung von einzelnen Zellen mit ihrer zellulären Umgebung und sind daher für eine bessere Charakterisierung und Therapie neurologischer Erkrankungen oder Syndrome, die durch Mutationen in einzelnen Hirnstammzellen verursacht werden, wie z.B. Autismus, psychiatrische Erkrankungen oder Tumore, von großem Nutzen.