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Wie werden neue Nervenzellen im Gehirn gebildet?

Auch im Erwachsenenalter werden im menschlichen Gehirn neue Nervenzellen gebildet – wie wird dieser Mechanismus reguliert? Ein BMBF-gefördertes Forschungsteam ist den Antworten auf diese Frage ein wenig näher gekommen.

Neuronale Stammzellen (Cyan) wandern von der subventrikulären Zonen zum Riechkolben. Andere Nischenspezifische Zellen sind Magenta und gelb gefärbt.

Neuronale Stammzellen (cyan) wandern von der subventrikulären Zonen zum Riechkolben. Andere nischenspezifische Zellen sind magenta und gelb gefärbt.

Helmholtz Zentrum München / Jacob Kjell

Nervenzellen, sogenannte Neurone, können sich auch im Gehirn erwachsener Menschen neu bilden. Diese wichtige Erkenntnis ist allerdings noch relativ jung: Erst seit Anfang dieses Jahrtausends ist wissenschaftlich belegt, dass auch noch nach der frühen Kindheit aus den das Nervengewebe stützenden Zellen, den Gliazellen, neue Neurone entstehen können. Professorin Magdalena Götz hat zu dieser Erkenntnis beigetragen: Sie konnte nachweisen, dass es im Gehirn bestimmte Bereiche gibt, in denen diese sogenannten adulten Stammzellen entstehen. Danach wandern deren Nachkommen in andere Bereiche, wo sie zu vollwertigen Neuronen heranreifen und in das neuronale Netz integriert werden können. Diese Erkenntnis hat die Neurobiologie revolutioniert.

Seitdem untersucht die Professorin, die mittlerweile die Abteilung Physiologische Genomik am Biomedizinischen Zentrum der Ludwig-Maximilians-Universität München und das Institut für Stammzellforschung am Helmholtz Zentrum München leitet, die Faktoren, die diese sogenannte Neurogenese beeinflussen.

Stammzellnischen – Kinderstube im Gehirn

Im erwachsenen Gehirn von Säugetieren kommen Nervenstammzellen nur in bestimmten Bereichen vor, den sogenannten Stammzellnischen. Was macht diese Regionen so besonders? Um das herauszufinden haben Götz und ihr Team erstmals das Proteom dieser Nischen untersucht – also die gesamte Menge der dort vorhandenen Proteine. Dafür haben sie zwei Regionen genauer untersucht: Zum einen die größte Stammzellnische des Gehirns in der sogenannten subventrikulären Zone. Das Gehirn enthält mehrere Kammern oder Ventrikel, die mit Gehirnwasser gefüllt sind. Die Wände dieser Ventrikel werden von einem speziellen Zelltyp ausgekleidet. Darunter befindet sich die subventrikuläre Schicht mit den neuronalen Stammzellen. Und zum anderen haben die Forschenden den Riechkolben im vorderen Teil des Gehirns untersucht, da neugebildete Neuronen hierhin wandern, sich dort ausdifferenzieren und in das neuronale Netz integrieren. Im Mäusegehirn hat das Team um Götz diese Nischen-Proteome mit dem Proteom anderer Hirnregionen verglichen, in denen keine Neurogenese stattfindet und keine neuen Nervenzellen integriert werden. Dabei entdeckten sie zentrale Unterschiede, die auf Regulatoren für die Bildung von Neuronen hinweisen.

Ein Merkmal der Stammzellnischen, das die Forscherinnen und Forscher im renommierten Wissenschaftsjournal „Cell Stem Cell“ beschreiben, ist, dass diese Regionen besonders starr und wenig flexibel sind. Unter anderem liegt das daran, dass die extrazelluläre Matrix, also die Zellbestandteile, die außen an der Zelle haften, ein starkes Netzwerk ausbildet. Das veranlasste die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler diese Bestandteile genauer zu untersuchen. Sie fanden heraus, dass beispielsweise ein besonderes Enzym - die Transglutaminase 2 - eine entscheidende Rolle in der Regulierung der Neurogenese spielt.

Das Wissen über solche Unterschiede im Proteom von neurogenen und nicht-neurogenen Hirnregionen bildet die Grundlage, um zukünftig die Behandlung von Erkrankungen, in denen Nervenzellen zerstört werden, zu verbessern  -schwere Schädel-Hirn-Traumata beispielsweise.

Götz und ihr Team werden deshalb in einem nächsten Schritt die analysierten Proteome mit denen verletzter Hirnregionen vergleichen. „Einer unserer Kollegen an der University of Cambridge fand heraus, dass das Narbengewebe im Gehirn besonders weich ist – eine ungünstige Umgebung für die Neurogenese. Diese Hürde müssen wir überwinden. Wir müssen eine Umgebung schaffen, die für die Reparatur verletzter Hirnregionen geeignet ist. Daran werden wir weiter forschen“, erklärt Götz.

Gemeinsam fördern und forschen: Europäische Forschungsnetze

Das Projekt von Prof. Magdalena Götz ist Teil eines europäischen Forschungsverbunds. Hier arbeiten Forschungsgruppen aus Deutschland, Belgien, dem Vereinigten Königreich und Polen zusammen. Gefördert werden sie durch ein europäisches Forschungsnetz, dem ERA-Net NEURON, in dem sich das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit anderen Förderorganisationen aus vielen europäischen Ländern zusammengeschlossen haben.

Originalpublikation

J. Kjell et al: Defining the adult neural stem cell niche proteome identifies key regulators of adult neurogenesis. Cell Stem Cell 2020, doi: 10.1016/j.stem.2020.01.002. 

Übersichtsartikel

Roger A. Barker, Magdalena Götz, Malin Parmar, New approaches for brain repair—from rescue to reprogramming. Nature 2018, doi: 10.1038/s41586-018-0087-1