Was sind Stammzellen?

     

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

Stammzellen erfüllen eine wesentliche, nur scheinbar unspektakuläre Aufgabe: Sie teilen und entwickeln sich. Nur auf diese Weise können sich höhere Lebewesen entwickeln, und auch der erwachsene Körper bleibt so funktionstüchtig. 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. Auf diesem Weg entwickelt ein Embryo zu einem ausgewachsenen Menschen.

Bei der asymmetrischen Teilung entstehen entweder fertig entwickelte (ausdifferenzierte) Gewebezellen oder Stammzellen mit verminderten Fähigkeiten (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:

  • Die befruchtete Eizelle ist eine totipotente Urstammzelle - aus ihr 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.
     

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.

Entwicklungsfähigkeit der Stammzellen

Totipotente, pluripotente und multipotente Stammzellen unterscheiden sich in ihrer Entwicklungsfähigkeit

Seit einigen Jahren können Forscher diese epigenetischen Stopp-Signale wieder entfernen. 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 pluripotenten 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?

Lange Zeit galt die asymmetrische Teilung als ein wesentliches Merkmal der Stammzellen. Diese Hypothese stützte sich vor allem auf Experimente mit Blutstammzellen, und auch die Stammzellen im Muskelgewebe bestätigt. Doch nun ist klar, dass die Entwicklung der Blutstammzellen deutlich komplexer abläuft als gedacht 6. Und das Verhalten der Stammzellen im Darm, Gehirn und der Haut lässt sich mit der asymmetrischen Teilung überhaupt nicht erklären7.

Im Darm entscheidet sich das Schicksal der Stammzellen über den Kontakt zu anderen Zellen, den Paneth-Zellen. Eine Stammzelle behält ihr Entwicklungspotenzial nur, wenn sie in direktem Kontakt mit Paneth-Zellen steht. Verliert sie den Kontakt, differenziert die Stammzelle zu einer Gewebezelle aus3. Die Zahl der Stammzellen bleibt konstant, 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. In der Haut von Mäusen gehorcht die Stammzell-Teilung zum Teil dem Zufall und folgt nicht starr einem asymmetrischen Muster4. Und in einer Gehirnregion von Mäusen teilen sich die Stammzellen vorwiegend symmetrisch - laufen dabei aber Gefahr, im Laufe des Lebens ganz verloren zu gehen5.

Bei den meisten Geweben ist noch unklar, wie sich die Stammzellen bei der Teilung verhalten - weitere Überraschungen sind nicht ausgeschlossen. Das Konzept der asymmetrischen Teilung ist daher nur ein Teil der Wahrheit: Stammzellen sind sehr flexibel, wenn es um ihre Entwicklung geht.

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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)
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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