Schlafende Embryonen als Überlebensstrategie 

Ein molekulares Gedächtnis?

Für den Fortpflanzungserfolg vieler wild lebender Säugetiere ist es entscheidend, die Geburt ihrer Nachkommen mit günstigen Umweltbedingungen zu synchronisieren. Arten wie Kängurus, Bären und Nagetiere haben eine Strategie entwickelt, die als embryonale Diapause bezeichnet wird und es ihnen ermöglicht, die Embryonalentwicklung in Stressphasen, die beispielsweise durch eine Hungerperiode ausgelöst werden, zu unterbrechen, bis sich die Umweltbedingungen wieder verbessern. Dabei behalten die Stammzellen ihr Differenzierungspotenzial „im Gedächtnis“, aber wie das Gedächtnis des Embryos während dieser Ruhephase kodiert und im richtigen Moment weitergegeben wird, ist nur unzureichend erforscht. In unserem Labor untersuchen wir, wie die Diapause eingeleitet und aufrechterhalten wird und wie die Zellen nachfolgend reaktiviert werden.

Genetische Schalter der Diapause

Wir untersuchen das Phänomen der Diapause mithilfe eines speziellen in vitro Systems, das wir entwickelt haben. Dieses System basiert auf unserer Entdeckung, dass die Hemmung eines wichtigen zellulären Signalwegs namens mTOR - mammalian target of rapamycin - die Diapause auslöst. In der Diapause behalten die pluripotenten Stammzellen des Embryos ihr Potenzial, sich in die verschiedenen Körperzellen zu entwickeln. Die genetischen Prozesse in ruhenden Embryonen und die Frage, wie die Identität der Zellen auf genetischer Ebene erhalten bleibt, sind jedoch weitgehend unbekannt. Kürzlich konnten wir zeigen, dass der Schutz regulatorischer Elemente vor epigenetischen Veränderungen, die Gene stilllegen können, der Schlüssel zur Aufrechterhaltung der Pluripotenz von Zellen in der Diapause ist [1]. Dabei wiederum spielen sogenannte TET-Enzyme - ten-eleven translocation - und spezifische Transkriptionsfaktoren eine wichtige Rolle. Eine Störung der TET-Aktivität beeinträchtigt die Pluripotenz und das Überleben ruhender Embryonen, während eine Verstärkung der TET-Aktivität die Überlebensraten verbessert.

Fett als Nährstoff in der Diapause

Eine weitere wichtige Frage ist, wie ruhende Embryonen ihren Stoffwechsel anpassen. Einerseits müssen sie die Nährstoffzufuhr reduzieren, um das Wachstum zu stoppen, gleichzeitig müssen sie aber eine alternative Energiequelle anzapfen, um zu überleben. Wir konnten zeigen, dass Embryonen in der Diapause auf in Zellen gespeicherte Lipide als Hauptnährstoff zurückgreifen [2]. Wir haben FOXO1 - Forkhead-Box-Protein O1 - als den Hauptschalter identifiziert, der die Stoffwechselanpassung reguliert und zur Aufrechterhaltung der Ruhephase beiträgt. Dabei entdeckten wir den praktischen Nebeneffekt eines Stoffwechselprodukts namens L-Carnitin. Diese Substanz hilft den Zellen, gespeicherte Fettreserven zu nutzen. Die Supplementierung mit L-Carnitin optimierte unser in vitro System und konnte die Diapause der Embryonen auf eine Dauer auf bis zu 34 Tage verlängern. L-Carnitin  trug ebenso dazu bei, die Embryonen in einen tieferen und sogar reversiblen Ruhezustand zu versetzen.

Ruhende Zellen in anderen biologischen Kontexten

Ob es beim Menschen Mechanismen der Diapause gibt, ist, wie schon erwähnt, noch umstritten. Wir haben aber bereits erste Hinweise darauf gefunden, dass menschliche Zellen dazu fähig sein könnten. Unabhängig von der stressinduzierten Diapause und der Embryonalentwicklung wurden im erwachsenen menschlichen Organismus bereits Zellen in allgemeineren Ruhezuständen beobachtet. Bei diesen Zellen handelt es sich um ruhende Stammzellen als Pool für die Regeneration spezialisierter Zellen in Geweben. Unsere Arbeit birgt daher das Potenzial, die Erforschung des Phänomens ruhender Zellen auch in anderen Zusammenhängen voranzutreiben. Derzeit suchen wir nach Möglichkeiten, Embryonen in der Diapause von außen mit Lipiden zu versorgen. Dadurch könnte der Ruhezustand, wie gesagt, in vitro noch länger aufrechterhalten werden, was Anwendungen in der Biotechnologie haben könnte, zum Beispiel als eine Alternative zum Einfrieren von Embryonen.

Literaturhinweise