Arche Noah für Stammzellen

Künstlicher Transkriptionsfaktor reprogrammiert Zellen unterschiedlicher Tierarten mit hoher Effizienz

Nach der Entdeckung der Reprogrammierung von Körperzellen mithilfe von Transkriptionsfaktoren im Jahr 2006 konnten bislang nur für wenige Tierarten induzierte pluripotente Stammzelllinien (iPS) produziert werden. Darüber hinaus sind die erzeugten iPS-Zellen von sehr unterschiedlicher Qualität und haben unterschiedliches Entwicklungspotenzial, was ihre Verwendung für regenerative Therapien einschränkt. Eine Erklärung war, dass Oct4 wichtige DNA-Markierungen und die Expression von Genen verändert. Einem internationalen Wissenschaftlerteam um Hans Schöler und Sergiy Velychko vom Max-Planck-Institut für molekulare Biomedizin in Münster ist es nun gelungen, einen Reprogrammierungsfaktor – Super-Sox – zu konstruieren, der den Reprogrammierungsfaktor Oct4 „an die kurze Leine nimmt“. Super-Sox hat zudem die Schlüsselrolle des Sox2/Oct4-Dimers für das Entwicklungspotenzial pluripotenter Stammzellen aufgedeckt. Mit Super-Sox haben die Forschenden iPS-Zellen des Menschen und aus verschiedenen Tierarten (Maus, Javaneraffe, Rind und Schwein) mit hoher Effizienz hergestellt. Diese mit Super-Sox reprogrammierten Zellen eröffnen neue Wege für Zellersatztherapien und z. B. für den Erhalt bedrohter Tierarten.

Im Jahr 2006 haben Shinya Yamanaka und seine Mitarbeiter erstmals Körperzellen der Maus mit nur vier Transkriptionsfaktoren, Oct4, Sox2, Klf4 und cMyc, in pluripotente Zellen zurückverwandelt. Diese Zellen, aus denen wieder alle Zelltypen des Körpers hervorgehen können, werden als induzierte pluripotente Stammzellen (iPS) bezeichnet. Ein Jahr später gelang ihnen die Reprogrammierung mit menschlichen Zellen. Yamanaka erhielt dafür gemeinsam mit Sir John Gurdon 2012 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin.

Wie die Abteilung von Hans Schöler im Jahr 2019 am Max-Planck-Institut für molekulare Biomedizin in Münster mit Mäusezellen zeigen konnte, ist Oct4 für den von Yamanaka beschriebenen Prozess essentiell. Die Bildung von Oct4 ist jedoch mit einer Reihe von Problemen verbunden. Um diese zu überwinden, entwickelte das Forscherteam von Hans Schöler ein System, mit dem sie auf Oct4 verzichten können. Dieser Verzicht verringerte zwar die Effizienz, erhöhte aber die Qualität der so gewonnenen iPS-Zellen erheblich. Trotz zahlreicher Versuche gelang es aber nicht, mit diesem Verfahren menschliche Zellen in iPS-Zellen zu verwandeln, die eine ähnlich hohe Qualität aufweisen wie die von Mäusen. „Es stellte sich dann die Frage, ob eine hohe Qualität überhaupt mit einer hohen Umwandlungseffizienz vereinbar ist“, sagt Hans Schöler, inzwischen emeritierter Direktor am Max-Planck-Institut in Münster. „Oct4 allein ist wie ein wilder Hund, der falsche Gene anschaltet“, erläutert Schöler. „Wenn wir Oct4 an die kurze Leine nehmen können, könnten wir dieses Dilemma wahrscheinlich lösen.“

Sox2 bindet nicht stark genug

Bekannt ist, dass Oct4 und Sox2 als Paar (‚Dimer‘) an DNA binden und zusammen die Pluripotenz induzieren und aufrechterhalten. Aber Sox2 kooperiert im ,herkömmlichen’ Gen-Cocktail nicht stark genug mit Oct4. Das führt dazu, dass bei Affen und Nutztieren überhaupt keine iPS-Zellen erzeugt werden können bzw. bei Mäusen und Menschen nur minderwertige iPS-Zellen entstehen. Sox17 bindet dagegen viel stärker an Oct4 als Sox2, es macht die Zellen aber nicht pluripotent und ist daher für die Reprogrammierung ungeeignet.

Die Forschenden haben daraufhin eine künstliche Sox-Variante hergestellt, die für die Bindung an Oct4 entscheidende Elemente von Sox17 in Sox2 enthält. "Ich habe Dutzende von chimären Sox2-Sox17-Faktoren hergestellt und getestet“, sagt Sergiy Velychko. Als Postdoktorand am Max-Planck-Institut in Münster war er die treibende Kraft der Studie, jetzt forscht er an der Harvard University (USA). „Dabei habe ich entdeckt, dass der Austausch einer einzigen Aminosäure die Dimerisierung, also die Bindung, zwischen Sox2 und Oct4 verstärkt. Diese chimäre Sox2-Sox17 Variante nennen wir daher Super-Sox.“ Oct4 kann durch Super-Sox nur noch in begrenztem Umfang allein an die DNA binden. „Dies verhindert, dass zum Beispiel Gene, die die Reprogrammierung stören, angeschaltet werden“, führt Schöler fort. „Durch die Reprogrammierung mit Super-Sox können wir Oct4 also an die kurze Leine nehmen und so mit einer hohen Umwandlungseffizienz hochwertige iPS-Zellen herstellen. Einer der Vorteile dieses Systems ist, dass Methoden eingesetzt werden können, bei denen die DNA der Zelle nicht verändert wird, z. B. durch die Verwendung von RNA zur Reprogrammierung. Damit steht ein perfekt geeignetes Ausgangsmaterial für die Transplantation zur Verfügung. Außerdem wird der Bedarf an menschlichen embryonalen Stammzellen reduziert, was wiederum zu einer Verringerung der ethischen Bedenken führen sollte.“

Umprogrammierung von Zellen anderer Arten

Ein weiterer großer Vorteil ist, dass dieses System auf Körperzellen einer Vielzahl von Säugetieren angewendet werden kann. Neben Menschen- und Mäusezellen wurden im Rahmen der aktuellen Studie auch Zellen von Schweinen, Rindern und Affen in iPS-Zellen umprogrammiert. „Die zentrale Rolle des Sox2/Oct4-Dimers bei der Pluripotenz scheint in allen Säugetieren konserviert zu sein. Super-Sox war besonders nützlich für die Reprogrammierung resistenter somatischer Zelltypen, wie z. B. Hautzellen von älteren Patienten“, sagt Velychko. „Ein solch hervorragendes Reprogrammierungssystem bietet ein breites Spektrum von möglichen Anwendungen von gesellschaftlicher Bedeutung: So könnte beispielsweise Blut von Nabelschnur-Banken zu iPS-Zellen reprogrammiert werden, wie dies bereits in Japan mit dem ursprünglichen Cocktail geschieht“, sagt Schöler. Eine Art klinisches Stammzellarchiv menschlicher iPS-Zellen wäre ein äußerst hilfreiches Depot für die Verwendung von Zellen zur Transplantation. Zum einen ist die DNA des Nabelschnurblutes von sehr hoher Qualität, zum anderen wäre die Abstoßungsreaktion des Körpers deutlich geringer. „Ein solches Stammzellarchiv aufzubauen ist zwar ein großer Aufwand, wäre aber eine großartige europäische Initiative. Ich könnte mir vorstellen, dass nicht nur iPS-Zellen, sondern vor allem daraus gewonnene Körperstammzellen zentral gelagert und von dort an die anfordernden Kliniken verschickt werden“, so Schöler.  

Zudem könnten hochwertige iPS-Zellen von Tieren gewonnen werden, die vom Aussterben bedroht sind, um sie zu einem späteren Zeitpunkt zum Erhalt der jeweiligen Tierart zu verwenden. „Dies wäre eine Art Stammzellen-Arche-Noah“, erläutert Schöler und fügt hinzu: „Viele Fragen sind in diesem Zusammenhang noch offen und es bedarf einer guten interdisziplinären Zusammenarbeit, um die durch diese Arbeit geschaffenen Möglichkeiten effektiv und sicher in die Praxis überführen zu können.“