Elektrische Signale steuern die Stammzellentwicklung
Was aus einer Stammzelle wird, das bestimmen Signale von außen, unter anderem elektrische Felder und Spannungsunterschiede. Bochumer Biochemiker haben auf diesem bisher wenig erforschten Signalweg nun einen zellulären Spannungssensor entlarvt: Der Kaliumkanal KCNQ1 vermittelt die bioelektrischen Informationen an die Zelle. Manipulationen daran bringen die Entwicklung durcheinander.
Stammzellen der Neuralleiste differenzieren sich in Wirbeltieren zu einer Reihe verschiedener Zellen wie Gefäßmuskelzellen, periphere Nervenzellen, Knorpelzellen, Knochenzellen, hormonproduzierende Zellen und Pigmentzellen, welche Schlüsselrollen in der Entwicklung des Gesichtes, des Herzens und anderer Gewebe übernehmen. Die Entwicklung von Stammzellen zu den verschiedenen, spezialisierten Zelltypen des sich entwickelnden Embryos wird durch komplexe Wechselwirkungen von Zellen untereinander gesteuert. Stammzellen haben genau definierte, in engen Grenzen gehaltene elektrophysiologische Eigenschaften, welche die Grundlage für spezifische zelluläre Verständigung sein könnten. Bisher war die Bedeutung elektrischer Signale für Stammzellen unklar. Zudem war unbekannt, wie die elektrophysiologischen Signale auf die Zellen wirken. Die elektrischen Eigenschaften einer Zelle werden durch Ionenkanäle und Transporter in der Zellmembran bestimmt, durch die elektrisch geladene Teilchen hinein- und herausgelangen. Dieser Kaliumkanal gehört zu einer "alten" Kanalfamilie, das heißt, es gibt ihn seit einer frühen Phase der Evolution und daher in vermutlich allen Wirbeltieren. Fehlfunktionen sind bei Menschen an komplexen Krankheiten wie dem ererbten, plötzlichen Herztod, Schwerhörigkeit und Epilepsie beteiligt. Werden die Funktionen dieser Kanäle in den sich entwickelnden Embryonen durch genetische Manipulationen oder pharmakologische Wirkstoffe verändert, so teilen sich die Pigmentzellen der Neuralleiste vermehrt und wandern in Gewebe ein, in denen sie normalerweise nicht zu finden sind. Eine Hemmung des KCNQ1-Kaliumkanals führt zu einer Anhebung des Ruhemembranpotentials. Dies wiederum bewirkt, dass bestimmte Gene (Sox10, Slug und Miff) vermehrt abgelesen und die entsprechenden Proteine in größerer Menge produziert werden. Sie wiederum bewirken, dass sich die Zellen öfter teilen und in untypische Regionen einwandern. Der KCNQ1-Kaliumkanal wirkt als ein zellulärer Spannungssensor, der bioelektrische Signale, aus der Umgebung der Stammzellen, in spezifisches Verhalten der Zellen übersetzt.
Die Bedeutung bioelektrischer Signale ist noch weitgehend unverstanden. Das Verständnis der Regulation von embryonalen Stammzellen durch biophysikalische Eigenschaften der Plasmamembran und der Ionenflüsse wird neue Marker und Kontrollpunkte für biomedizinische Eingriffe hervorbringen. Der neu entdeckte Mechanismus könnte von Bedeutung bei menschlichen Krankheiten wie Metaplasie, Krebs und Neuralleistendefekten sein. Substanzen, die Kaliumkanäle beeinflussen, könnten daher eine neue Bedeutung bei der Behandlung dieser Krankheiten erlangen.
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