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Michael Kühl - den Genarchitekten des Herzens auf der Spur

Michael Kühl erforscht mithilfe eines „Zoos an Modellorganismen“ die Entwicklung des Herzens. Der Entwicklungsbiologe, Direktor des Instituts für Biochemie und Molekularbiologie der Ulmer Universität, bedient sich dabei auch evolutionärer und neuerdings systembiologischer Ansätze. Kühls grundlagenorientierte Forschung folgt nicht einem L’art-pour-l’art-Prinzip, sondern will dazu beitragen, langfristig auch neue therapeutische Optionen für die Kardiologie zu schaffen.

Ihm liegt das Herz am Herzen: Prof. Dr. Michael Kühl © Pytlik

Sein Forschungsinteresse und seine Motivation bezieht der Ulmer aus der Humanmedizin. Zehn Prozent aller vorzeitigen Schwangerschaftsabbrüche beim Menschen haben ihre Ursache in einer fehlerhaften Entwicklung des Herzens. Etwa ein Prozent aller Neugeborenen haben einen genetisch bedingten Herzfehler. Diese Zahlen sind für die westliche Welt validiert, gelten nach Kühls Einschätzung wohl aber im Wesentlichen für den gesamten Globus. 

Ein weiterer Antrieb für seine Beschäftigung mit der Kardiogenese ist eng mit der fehlenden Regenerationsfähigkeit des menschlichen Herzens verknüpft: Bei einem Herzinfarkt wird der Herzmuskel aufgrund eines Gefäßverschlusses mit Sauerstoff unterversorgt, was zum Tod von Herzmuskelzellen (Nekrose) führt. Der Mensch kann diesen Zelluntergang nicht ausgleichen, anders als der Zebrafisch beispielsweise. Überlebt der Infarktpatient, bleibt vernarbtes Gewebe zurück, was lebenslange Einschränkungen zur Folge hat.

Kühls Arbeiten zielen darauf ab, ob sich Herzmuskelzellen in einer Kulturschale künstlich erzeugen lassen, um diese möglicherweise eines Tages für die Behandlung von Infarktpatienten zu verwenden. 

Ziel: Herzmuskelzellen für die klinische Anwendung

Es sind diese zwei Fragen, auf die er mit seinen Untersuchungen Antworten zu finden hofft: Einerseits will er verstehen, wie sich das Herz normal entwickelt, um in einem zweiten Schritt die Ursachen für Fehlbildungen des Organs zu ergründen. Andererseits will Kühl im Konzert mit seinen Fachkollegen auf der ganzen Welt seinen Beitrag dazu leisten, um eines Tages die Kultivierung von Herzmuskelzellen für die klinische Anwendung zu perfektionieren.

Angefangen haben Kühl und seine Arbeitsgruppe mit dem südafrikanischen Krallenfrosch (Xenopus laevis). Im Laufe der letzten Jahren kamen die Taufliege (Drosophila melanogaster), der Zebrafisch (Danio rerio) und schließlich die Maus als weitere etablierte Modellorganismen hinzu. Mit diesen unterschiedlich komplexen Modellen untersucht der Ulmer Forscher die Entwicklung des Herzens.

Anatomisch unterscheiden sich Modelle deutlich

Kühls Arbeitsgruppe, unser Bild, erforscht an zahlreichen Modellen die Herzentwicklung. © Uni Ulm

In der Anatomie des Herzens unterscheiden sich die Modellorganismen wesentlich. Das menschliche Herz besitzt zwei Kammern (Ventrikel) und zwei Vorhöfe (Atrien). Aus der rechten Kammer wird das Blut in den Lungenkreislauf gepumpt, um sich mit Sauerstoff anzureichern. Aus der linken Kammer gelangt das Blut in den Körperkreislauf, um dort den Sauerstoff abzugeben. Hinzu kommen zwei Vorhöfe, in denen das Blut wieder aus den jeweiligen Zirkulationen angesammelt wird: das Blut aus dem Lungenkreislauf im linken Vorhof, das Blut aus dem Körperkreislauf im rechten Vorhof.

Unter den von Kühls Arbeitsgruppe beforschten Modellorganismen verfügt das Herz der Maus wie das des Menschen über vier Hohlräume, der Frosch besitzt drei (zwei Vorhöfe, ein nicht vollständig getrennter Ventrikel, da der Frosch auch über die Haut Sauerstoff aus dem Wasser aufnimmt, so dass diese Kreisläufe nicht vollständig getrennt sein müssen). Der Fisch besitzt zwei Hohlräume (einen Vorhof, eine Kammer), die Fliege schließlich hat einen Hohlraum, eine Art sich kontrahierenden Schlauch.

Wichtige Mechanismen sind hochkonserviert

Kühls Untersuchungen versuchten die bei allen Modellen identischen Mechanismen zu charakterisieren, genauso wie diejenigen, die im Lauf der Entwicklung bis zum humanen, gekammerten Herz hinzugekommen sind. Zum entwicklungsbiologischen Aspekt kommt für den Ulmer der evolutive hinzu: Die Hauptmechanismen, die der Entwicklung des Herzens zugrunde liegen, wurden während der Evolution darauf selektioniert, dass sie besonders gut funktionieren. Evolutionsbiologisch gesprochen: Besonders wichtige Mechanismen in der Evolution sind hochkonserviert.

Gängige Lehrmeinung ist mittlerweile, dass ein Netzwerk von Genen die Spezialisierung von Herzmuskelzellen reguliert. Dieser genetische Werkzeugkasten ist zumindest bei allen Vertebraten (Fisch, Frosch, Maus, wahrscheinlich auch beim Menschen) konserviert, weil all diese Organismen sich kontrahierende Herzmuskelzellen besitzen. Von Organismus zu Organismus wurden diesem Netzwerk neue Regulationsmechanismen übergestülpt, wodurch sich die Komplexität der Struktur erhöhte; so erklärt es sich der gelernte Biochemiker Kühl.

Molekularer Ansatz: gemeinsamer evolutionärer Ursprung

Herzmuskelzelle, die aus murinen embryonalen Stammzellen differenziert wurde. Der kontraktile Apparat ist in rot, der Zellkern ist blau gefärbt. © Kühl, Uni Ulm

So beträchtlich die anatomisch-morphologischen Unterschiede in den Spezies ausfallen, so spricht doch auf molekularer Ebene mehr für einen gemeinsamen evolutionären Ursprung als für eine parallele Entwicklung. Denn in der embryonalen Entwicklung des Herzens, bilanziert Kühl die aktuelle Forschung, sind über verschiedene Spezies hinweg eine ganze Reihe orthologer Gene beteiligt. Orthologe Gene des Transkriptionsfaktors Isl1 beispielsweise - einer der Forschungsschwerpunkte von Kühls Arbeitsgruppe - sind im Menschen beschrieben worden, in der Maus, dem Huhn, dem Krallenfrosch (Brade et al. 2007), dem Zebrafisch, dem Neunauge, der Schlauch-Seescheide und in der Fliege (Mann et al., 2009) wurde Isl1 ebenso identifiziert.

Aufschlussreich für eine mögliche spätere Translation ist, dass auch in adulten Herzstammzellen der Maus, der Ratte und des Menschen Isl1 identifiziert werden konnte. Isl1 wurde in Bereichen des postnatalen Herzens entdeckt, die dem zweiten Herzfeld entstammen. Die Forschung erkennt in ihnen Reste der Isl1-haltigen Zellen, die während der embryonalen Herzentwicklung aktiv sind (Pandur et. al., 2012).

Über den Vergleich der embryogenetischen Herzentwicklung verschiedener Modellorganismen versucht Michael Kühl Antworten auf seine zentralen Fragen zu finden: Wie entsteht eine Herzmuskelzelle und wie ein komplexes Organ? Gerade mal ein gutes Jahrzehnt ist es her, dass die molekulare Biologie sich zur anatomisch-morphologischen Betrachtungsweise gesellte.

Es beginnt mit einem speziellen Zellhaufen

Immer noch gültig ist die Grundannahme, dass sich das Organ mit einer spezifischen Zellpopulation zu entwickeln beginnt. Da der Mensch bilateral angelegt ist, nimmt man an, dass es sich um zwei Zellhaufen handelt, die im Laufe der Entwicklung aufeinander zu wandern und zunächst einen Schlauch ausbilden, so wie er in der Fliege ausgebildet ist. Dieser Schlauch durchläuft morphologische Veränderungen: Ein ‘cardiac looping‘ (Schleifenbildung) genannter Prozess bildet eine S-förmige Struktur aus, die im Wesentlichen der Struktur des Fischherzens entspricht. Beim Fisch heißt dieser Entwicklungsschritt ‚cardiac jogging‘ - der Organismus vollführt eine morphogenetische Bewegung, bildet zwei Hohlräume und beendet dort seine Entwicklung.

Diese Morphogenese wird bei höheren Organismen weiter vervollständigt, der kontraktile Schlauch formt sich um und schiebt sich ineinander, so dass sich drei (Frosch) und vier Hohlräume (Maus) ausbilden können. Dann muss das Herz reifen, wachsen und seine Pumpleistung vergrößern. Diese anatomisch-morphologische Theorie hielt bis Anfang der 2000er-Jahre. Dann entdeckten Forscher, dass der Herzschlauch keine Einheit ist, aus der das Herz entsteht, sondern während der Entwicklung immer weiter wächst und immer mehr Zellen von außen in das Herz ‚hineinrekrutiert‘. Zur anatomisch-morphologischen Sicht gesellte sich die molekulare Sichtweise hinzu, die nach den dafür verantwortlichen Genen fragt.

Mutagenese-Screens entdecken genetischen Werkzeugkasten

Rasch wurde mithilfe von Mutagenese-Screens klar, dass der Kern dieses für die Herzentwicklung wichtigen genetischen Netzwerkes bereits in der Fliege verwendet wird. Was ein Jahrzehnt früher vielleicht noch bizarr anmutete, hat die molekulare Biologie inzwischen zur Lehrmeinung erhoben: wiewohl anatomisch-morphologisch völlig unterschiedlich, wirken im Herzen der Fliege die gleichen (orthologen) Gene wie im Mäuseherzen.

Inzwischen weiß man von Humangenetikern, dass auch im Menschen diese Gene aktiv sind und bei Patienten mit kongenitalen Herzerkrankungen genau in diesen Genen Mutationen vorliegen, die erblich bedingte Herzerkrankungen verursachen.
Offensichtlich liegt dem anatomischen Prozess der Kardiogenese ein molekularer Prozess zugrunde, der von einem hochkonservierten Gen-Netzwerk gesteuert wird. Woraus dieses besteht, ist Gegenstand aktueller Forschung. Über Mutagenese- und Expressions-Screens sind nach Einschätzung von Michael Kühl die wichtigsten Akteure bekannt: „Eigentlich kennen wir alle Gene, die in einem Organ zu einem bestimmten Zeitpunkt angeschaltet sind“.

Wie relevant und in welchen Zelltypen sie exprimiert sind, wissen die Evo-Devo-Forscher aber noch nicht. Denn das Herz besteht längst nicht nur aus sich kontrahierenden Herzmuskelzellen, sondern beispielsweise auch aus Fibroblasten, aus Gefäßzellen, die das Innere des Herzens auskleiden, oder aus Gefäßzellen, die den Herzmuskel versorgen. Und es wird noch komplexer, denn noch sind nicht alle in die Herzentwicklung involvierten Zelltypen bekannt, geschweige denn weiß die Forschergemeinschaft, in welchen Zelltypen welche Gene angeschaltet sind.

Isl1: wichtiges Gen für die Herzentwicklung

Ein für die Entwicklung des Herzens wichtiges Gen ist das oben bereits eingeführte Isl1 (auch Islet1), ein Transkriptionsfaktor, der als charakteristischer Marker für das sogenannte zweite Herzfeld gilt, für diejenigen Zellen, die zum wachsenden Herz ‚addiert‘ werden. Isl1 ist ein wichtiger Bestandteil des hauptsächlichen Netzwerks von Transkriptionsfaktoren, das die frühe Entwicklung des Herzens in Tieren der zwei Stämme Deuterostomia und Protostomia (die zwei wesentlichen Gruppen der bilateralen Tiere, zu denen auch der Homo sapiens zählt) antreibt. Danach gibt es eine einzelne Anhäufung von Herz-Vorläuferzellen einschließlich der diesen Transkriptionsfaktor exprimierenden Zellen, die sich in unterschiedliche Herz-Abstammungslinien während der Embryonalentwicklung in den Vertebraten ausbilden, nicht aber in anderen Stämmen des Tierreichs. So lautet stark vereinfachend der derzeitige Wissensstand, den Michael Kühl erst kürzlich in einem Übersichtsartikel zusammengefasst hat. Zuvor war es den Ulmern gelungen, Isl1 im Frosch (Brade et al., 2007) und in der Fliege (Mann et al., 2009) zu charakterisieren.

Während der Ausbildung des Herzens – das legt die aktuelle Datenlage nahe – hat Isl1 zwei Aufgaben: In einer frühen Phase der Herzentwicklung gehört Isl1 zu einem Gen-Regulationsnetzwerk, das für die gemeinsame Population von Herz-Vorläuferzellen erforderlich ist. Daten der Taufliege und des Krallenfrosches lassen ein hochkonserviertes Netzwerk von regulatorischer Interaktion annehmen, in das Isl1 und Mitglieder der GATA-, Nkx- und Tbx-Familien von Transkriptionsfaktoren beteiligt sind. Wahrscheinlich existiert ein ähnliches Netzwerk auch in höheren Vertebraten wie der Maus. Isl1 spielt auch eine bedeutende Rolle in der Entwicklung des Herzens bei Deuterostomia.

Relativ unbekannt ist die Summe aller Gene, die von einem Transkriptionsfaktor reguliert werden. Im Grunde müssten dafür alle verfügbaren Methoden miteinander kombiniert werden – eine herkulische Aufgabe, an der sich viele Forschergruppen mit vereinten Kräften werden versuchen müssen, aber dank hochpotenter Gensequenzierungstechnik nicht länger undenkbar.

Zwei Molekülgruppen verantworten Herzentwicklung

Die Entwicklung des Organs Herz wird im Kern von zwei Molekülgruppen, den Transkriptions- und den Wachstumsfaktoren gesteuert. In der Herzmuskelzelle sind viele Hunderte von Transkriptionsfaktoren aktiv. Von den wenigsten ist ihre Funktion und Stellung im Netzwerk bekannt, sagt der Ulmer Spezialist. „Im Grunde ist es wie bei einem großen Puzzle. Wir haben einige Steine hingelegt, die wir kennen, daneben der große Haufen mit möglichen Spielern, und die muss ich in das bruchstückhafte Puzzle an der richtigen Stelle einsetzen.“ Hinzu kommt, dass diese Gen-Schalter wiederum von außerzellulären Einflüssen reguliert werden.

Seit vielen Jahren bereits beforscht der Ulmer Lebenswissenschaftler eine große Klasse der Wachstumsfaktoren, die sogenannten Wnt-Proteine, die zu den Signalmolekülen zählen und als wesentlich für die embryonale Entwicklung gelten. Auch sie spielen während der Herzentwicklung eine Rolle. Kühl untersucht, welche Signalwege von diesen Wnt-Proteinen aktiviert und welche dieser Signalwege zu welchem Zeitpunkt der Entwicklung „an-“ oder „ausgeschaltet“ sind, welche für die Kardiogenese förderlich oder eher hinderlich sind. In den letzten Jahren haben Kühl und seine Mitarbeiter mit ihren Untersuchungen dazu beigetragen herauszufinden, wie diese Wnt-Proteine und wie verschiedene Signalwege zu verschiedenen Zeitpunkten der Entwicklung an- oder ausgeschaltet sein müssen, damit dieser Prozess der Kardiogenese überhaupt funktioniert.

Die daraus gewonnenen Erkenntnisse lassen sich zum Beispiel auf Stammzellkulturen anwenden. So gelang es Kühls AG, die aus der Embryonalentwicklung bekannten zeitlichen Muster auf Stammzellen zu übertragen, so dass sich durch gezielten Einsatz von Wachstumsfaktoren die Menge an Herzmuskelzellen in der Kulturschale steuern ließ. Kühl und seine Fachkollegen arbeiten seit gut zehn Jahren an der Verfeinerung des Protokolls. Im Jahr 2002 war dies Kühl mit dem Wachstumsfaktor Wnt11 gelungen. Kürzlich schaffte dies Kühls Arbeitsgruppe auch mit dem Transkriptionsfaktor TBX5 (Herrmann et al., 2011) bei embryonalen Stammzellen der Maus und des südafrikanischen Krallenfrosches.

Nur Wachstumsfaktoren haben klinische Aussichten

So wichtig die Erforschung der beiden Molekülklassen für die artenübergreifende Entwicklung des Herzens ist, so eindeutig ist nach Kühls Überzeugung, dass allenfalls die Methode mit Wachstumsfaktoren eine klinische Relevanz haben dürfte. Zukünftige mögliche Therapien könnten nur den Weg mit Wachstumsfaktoren beschreiten, denn der Rückgriff auf Transkriptionsfaktoren würde bedeuten, dass man ein unkalkulierbares Risiko in Kauf nimmt, wenn man genetisch veränderte Stammzellen in Patienten einbringt.

In zehn Jahren hofft Michael Kühl zusammen mit den gut 150 anderen grundlagenorientierten Forschergruppen weltweit das genregulatorische Netzwerk, das die Herzentwicklung steuert, so vollständig wie möglich verstanden zu haben. Dann wäre, um einen von ihm gewählten Vergleich fortzuführen, das Puzzle fertig gestellt. Auf der Grundlage der embryogenetischen Kardiogenese werden Kühl und Kollegen unterdessen diejenigen Regulationspunkte des Netzwerkes zu identifizieren suchen, die bei weniger komplex organisierten Modellen fehlen. Sie werden Antworten auf Fragen wie diese suchen: Ist im Lauf der Evolution die Anzahl der Akteure (Gene) gewachsen oder hat die Anzahl der Interaktionen zugenommen oder hat beides zugenommen?

Literatur zu Wnt Signaling in der Herzentwicklung:

Gessert S, Maurus D, Brade T, Walther P, Pandur P, Kühl M (2008) DM-GRASP/ALCAM/CD166 is required for cardiac morphogenesis and maintenance of cardiac identity in first heart field derived cells, Dev. Biol. 321, 150-61

Gessert S and Kühl M (2010) The multiple phases and faces of Wnt signaling during cardiac differentiation and development, Circ. Res., 107, 186-99

Herrmann F, Bundschu K, Kühl SJ, Kühl  M (2011) Tbx5 overexpression favors a first heart field lineage in murine embryonic stem cells and in Xenopus laevis embryos, in: Development 
Dynamics, S. 2634-45. DOI: 10.1002/dvdy.22776


Pandur P, Läsche M, Eisenberg L, Kühl M (2002) Wnt-11 stimulation of a non-canonical Wnt-pathway is required for cardiogenesis, Nature 418, 636-641

Literatur zur Rolle von Islet während der Herzentwicklung
:

Brade T, Gessert S, Kühl M, Pandur P (2007) The amphibian second heart field: Xenopus islet-1 is required for cardiovascular development, Dev. Biol. 311, 297-310

Mann T, Bodmer R, Pandur P (2009) The Drosophila homolog of vertebrate Islet1 is a key component in early cardiogenesis, Development, 136, 317-26

Pandur P, Sirbu IO, Kühl SJ, Philipp M, Kühl M (2012) Islet1 expressing cardiac progenitor cells: A comparison across species, Dev. Genes Evol. DOI: 10.1007/s00427-012.0400-1

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