Was sind Stammzellen?

     

Stammzellen unterscheiden sich äußerlich kaum von anderen Zellen, auch das Erbgut ist identisch. Doch eines macht die Stammzellen besonders - die Fähigkeit zum unbegrenzten Wachstum.

Stammzellen erfüllen eine wesentliche Aufgabe: Sie teilen und entwickeln sich. Alle Lebewesen entstehen auf diese Weise, und der erwachsene Körper wird dadurch funktions­tüchtig gehalten. Normale Gewebe­zellen können dies nicht mehr: Sie teilen sich kaum und sind auf eine bestimmte Funktion festgelegt.

Teilung von Stammzellen

Eine symmetrische Teilung bringt nur Stammzellen, eine asymmetrische Teilung Stammzellen und Gewebezellen hervor

Symmetrische und asymmetrische Teilung

Nach der klassischen Theorie kennt die Stammzelle zwei Arten der Teilung: Bei der symmetrischen Teilung entstehen zwei Stammzellen, die mit der Mutterzelle identisch sind. Bei der asymmetrischen Teilung entsteht nur eine Stammzelle - bei der zweiten Zelle hat schon die Entwicklung zur Gewebe­zelle eingesetzt.

Die symmetrische Teilung macht Stammzellen quasi unsterblich: Sie erzeugt immer wieder neue Stammzellen1, und das in quasi unbegrenzter Zahl. Die asymmetrische Teilung2 ermöglicht den Aufbau und die Reparatur von Organen - indem sie neue Gewebezellen produziert. Beim Embryo ermöglicht sie die Entwicklung eines ganzen Menschen.

Bei der asymmetrischen Teilung entstehen entweder fertig entwickelte (oder ausdifferenzierte) Gewebezellen oder Stammzellen mit verminderten Möglichkeiten (Potenz). In beiden Fällen werden Teile der Erbinformation verändert: Die Gene gehen zwar nicht verloren, können aber nicht mehr abgelesen werden.

Von totipotent zu multipotent

Daher unterscheiden sich die verschiedenen Arten von Stammzellen in ihren Fähigkeiten. Aus der befruchteten Eizelle - der totipotenten Urstammzelle - entwickelt sich ein ganzer Mensch. Pluripotente embryonale Stammzellen können zwar noch jedes Körpergewebe, aber keine Plazenta mehr bilden: Die Fähigkeit, sich im Uterus der Mutter einzunisten, geht verloren. Aus den multipotenten fetalen und adulten Stammzellen schließlich können nur noch einzelne, vorbestimmte Gewebe oder Organe entstehen.

Entwicklungsfähigkeit der Stammzellen

Totipotente, pluripotente und multipotente Stammzellen unterscheiden sich in ihrer Entwicklungsfähigkeit

Im Verlauf dieser schrittweisen Spezialisierung werden viele Gene endgültig abgeschaltet. Die differenzierte Gewebezelle steht am Endpunkt dieser Entwicklung, sie hat die Fähigkeit zur Teilung und Entwicklung verloren. Sogenannte epigenetische Markierungen auf dem DNA-Strang verhindern, dass die dafür notwendigen Gene angeschaltet werden.

Erst vor kurzem hat man herausgefunden, wie man diese epigenetischen Stopp-Signale wieder entfernen kann. Der somatische Kerntransfer, aus dem das Klonschaf Dolly hervorging, kann aus normalen Gewebezellen totipotente Stammzellen machen. Auf eine andere Weise entstehen die induzierten pluripotenten Stammzellen (iPS-Zellen): Vier Gen-Faktoren programmieren Gewebezellen so um, dass sie wieder alle Eigenschaften von multipotenten Stammzellen erlangen.

Egal, ob es sich nun um natürliche oder künstlich erzeugte Zellen handelt: Nur Stammzellen sind noch nicht auf eine Funktion festgelegt. Das macht sie so wandelbar, und darauf beruhen die großen Hoffnungen der Medizin.

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Asymmetrische Teilung doch nicht wichtig?

Wie oben ausgeführt, waren Stammzellforscher lange Zeit der Meinung, dass die asymmetrische Teilung ein wesent­liches Merkmal der Stammzellen ist. Dieses Modell bezieht sich vor allem auf das Verhalten der Stammzellen im Blut. Neue Untersuchungen zeigen jedoch, dass die Stammzellen des Darms und der Haut anderen Regeln folgen.

Darm-Stammzellen befinden sich immer in engen Kontakt zu anderen Zellen, den sogenannten Paneth-Zellen. Tatsächlich hat man jetzt herausgefunden, dass der Kontakt zu den Paneth-Zellen bestimmt, ob eine Stammzelle auch Stamm­zelle bleiben darf. Verliert sie den Kontakt, differenziert die Stammzelle zu einer Gewebezelle aus3. Die Zahl der Stammzellen bleibt dabei immer gleich, weil auch die Zahl der Paneth-Zellen konstant ist.

Die Darm-Stammzellen haben also ein System gefunden, das ohne asymmetrische Teilung auskommt und trotzdem die Stammzell-Population stabil hält. Auch in der Haut von Mäusen fand sich neulich ein System, bei dem die Stammzell-Teilung zum Teil dem Zufall gehorcht und nicht starr einem asymmetrischen Muster folgt. Andere Modelle können sogar fast vollständig auf die asymmetrische Teilung verzichten4. Es ist jedoch noch unklar, ob sich Stammzellen in anderen Geweben genauso verhalten: Es wäre also verfrüht, das Konzept der asymmetrischen Teilung ganz abzuschreiben.

Aber dieses Beispiel zeigt, dass Wissenschaftler noch wenig davon verstehen, wie sich Stammzellen im Körper verhalten. Man darf gespannt sein, welche Überraschungen die Stammzellen noch für uns bereit halten.

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1 L.I. Zon, Intrinsic and extrinsic control of haematopoietic stem-cell self-renewal, Nature 2008, vol. 453, pp. 306-313 (link)
2 Inaba und Yamashita, Asymmetric Stem Cell Division: Precision for Robustness, Cell Stem Cell 2012, vol. 11 pp. 461-9 (link)
3 Clevers et al., The Intestinal Crypt, A Prototype Stem Cell Compartment, Cell 2013, vol. 154 pp. 274-84 (link)
4 Rompolas et al., Spatiotemporal coordination of stem cell commitment during epidermal homeostasis, Science, Juni 2016 (link)

Teilung von Stammzellen

Eine symmetrische Teilung bringt nur Stammzellen, eine asymmetrische Teilung Stammzellen und Gewebezellen hervor
Stammzellen können sich asymmetrisch teilen und so neues Gewebe hervorbringen.

Definition Stammzellen

Stammzellen können sich unbegrenzt teilen. Sie bringen dabei neue Stammzellen hervor, verwandeln sich aber auch in andere Körper­zellen.

Entwicklungsfähigkeit der Stammzellen

Totipotente, pluripotente und multipotente Stammzellen unterscheiden sich in ihrer Entwicklungsfähigkeit
Es gibt viele Formen von Stammzellen, die sich in ihrer Entwicklungsfähigkeit unterscheiden. Manche können noch ein ganzes Lebewesen, andere nur einzelne Gewebe hervorbringen.

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Kurz und knapp 

  • die symmetrische Teilung der Stammzellen bringt immer neue Stammzellen hervor
  • die asymmetrische Teilung erzeugt eine Stammzelle und eine Gewebezelle
  • alle Zellen des Körpers entstehen aus Stammzellen
  • embryonale Stammzellen können alle, adulte nur noch bestimmte Gewebe hervorbringen
  • Stammzellen im Darm kennen nur die symmetrische Teilung