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Weltmeister der Regeneration

Planarien sind Plattwürmer, die sich selbst aus kleinen Einzelstücken wieder zu ganzen Organismen erneuern können, da sie einen großen Vorrat an adulten totipotenten Stammzellen besitzen. Aus diesen können alle Körperzellen einschließlich der Geschlechtszellen gebildet werden. Wissenschaftler des Heidelberger Instituts für Theoretische Studien analysieren jetzt mit neuen Algorithmen die komplexen Genomstrukturen der Planarien, um die genetischen Ursachen für diese phänomenale Regenerationsfähigkeit zu ergründen.

Am Heidelberger Institut für Theoretische Studien (HITS) wurde eine neue Junior-Forschungsgruppe „Computational Biology“ unter der Leitung des Diplominformatikers und Humanbiologen Dr. Siegfried Schloissnig eingerichtet. Sie hat sich zum Ziel gesetzt, die Genome von Plattwürmern (Plathelminthes) aufzuklären. Die Wissenschaftler hoffen, den Ursachen für die enorme Regenerationsfähigkeit innerhalb dieser Tiergruppe auf die Spur zu kommen. Dies könnte auch für die Stammzellforschung und Regenerationsmedizin beim Menschen von tiefgreifender Bedeutung sein.

Forschung an Plattwürmern hat Tradition

Fragmentations- und Regenerationsversuche von T. H. Morgan 1907, nach A. Kühn: Vorlesungen über Entwicklungsphysiologie, 2. Aufl. 1965. © Springer Verlag

Zu den Plattwürmern gehören neben unangenehmen parasitischen Gruppen wie den Bandwürmern und Leberegeln auch die freilebenden Strudelwürmer (Turbellarien), deren bekannteste Vertreter die Planarien sind. Sie als Modellorganismen für elementare Lebensprozesse zu wählen, mag seltsam erscheinen. Tatsächlich geht diese Tradition aber bis in die Anfänge der experimentellen Naturwissenschaften vor mehr als 200 Jahren zurück: 1778 beschrieb Peter Simon Pallas die verblüffende Eigenschaft von Planarien, wieder vollständige Organismen zu bilden, wenn man sie mit dem Skalpell zerstückelte.

Der Zoologe Oskar Schmidt, der die erste große Monographie über Strudelwürmer verfasste, schrieb 1853 begeistert: „Man braucht, wie es scheint, wo man will nur zuzugreifen und ist der Ausbeute sicher.“ Das veranlasste Thomas Hunt Morgan, den großen Genetiker (der später die Fruchtfliege Drosophila in die moderne Biologie einführte) die Regenerationsfähigkeit der Planarien in zahlreichen Arbeiten systematisch zu erforschen. Noch in den 1960er Jahren versuchten wir als junge Studenten im Zoologischen Praktikum der Universität Freiburg, Morgans grundlegende Experimente mit frisch gefangenen Bachplanarien (Dugesia gonocephala) nachzuahmen – aufgrund mangelnder Geschicklichkeit mit nur mäßigem Erfolg.

Alte Modellorganismen neu entdeckt

Die Bachplanarie Dugesia gonocephala. © Universität Freiburg

In der Ära der Molekularbiologie gerieten die Planarien als Forschungsobjekte aber weitgehend in Vergessenheit. Erst in den letzten Jahren ändert sich das. Das wieder erstandene Interesse rührt daher, dass die klassischen Untersuchungen von Morgan und später Hans Spemann (beide erhielten den Nobelpreis) heute im Lichte der modernen zellbiologischen und molekulargenetischen Erkenntnisse ganz neue Fragestellungen erlauben.

Besonders für die Regenerationsmedizin und Stammzellforschung sind diese primitiven Würmer attraktiv. Stellte es sich doch heraus, dass ihre ungewöhnliche Regenerationsfähigkeit darauf beruht, dass sie einen großen Vorrat an adulten Stammzellen besitzen, der es ihnen erlaubt, praktisch jeden Teil ihres Körpers zu erneuern, einschließlich des Gehirns. Damit sind sie unter den bilateral-symmetrischen Organismen (Bilateria, zu denen auch wir Menschen gehören) eine große Ausnahme.

Hauptsächlich verwendet man heute die zu Ehren von Oskar Schmidt benannte Planarie Schmidtea mediterranea, die in Gewässern auf Korsika, Sardinien und an einigen anderen Stellen des westlichen Mittelmeeres vorkommt. Diese Art ist robuster und leichter im Labor zu halten als unsere einheimischen Bachplanarien.

Herausforderungen der Genomsequenzierungen von Plattwürmern

Dr. Siegfried Schloissnig (rechts) mit seinem Mentor, Prof. Dr. Eugene Myers (links), und Dr. h.c. Klaus Tschira, dem Stifter und Geschäftsführenden Gesellschafter des HITS. © HITS gGmbH

Auch die neue Forschungsgruppe von Schloissnig am HITS wird sich zunächst auf Schmidtea mediterranea konzentrieren – nach Schloissnigs Ansicht der interessanteste Plattwurm für die Regenerative Medizin. Danach sollen die Genome weiterer Arten von Plathelminthen sequenziert und miteinander verglichen werden. Die Forscher erhoffen sich daraus neue Erkenntnisse für die regenerativen Fähigkeiten und die Plastizität dieser Organismen.

Diese Sequenzierungen sind keine Routineangelegenheit. Genome von Plattwürmern sind eine wahre Herausforderung für die Bioinformatik. „Zwei Drittel des Wurmgenoms wiederholen sich ständig – wie ein Puzzle, das zu zwei Dritteln aus weißen Teilchen besteht, die sich nur minimal voneinander unterscheiden“, erklärte Schloissnig, der zuvor als Postdoc am Europäischen Molekularbiologischen Laboratorium gearbeitet hatte. Schloissnig und sein Team am HITS wollen neue Ansätze für die „De-novo-Assemblierung“ erarbeiten, das heißt die Rekonstruktion der Genome aus kleinen DNA-Fragmenten von Anfang an (de novo), ohne auf ein Referenzgenom zurückgreifen zu können.

Mit neuen Algorithmen soll dieses DNA-Puzzle richtig zusammengesetzt werden. Bei der Entwicklung neuartiger Bioinformatik-Instrumente für diese schwierigen Genomsequenzierungen kann Schloissnig auf enge Zusammenarbeit mit seinem Mentor Professor Eugene „Gene“ Myers zurückgreifen.

Der US-Amerikaner Gene Myers ist einer der großen Pioniere der Bioinformatik, dessen Gensequenzierungsprogramme wesentlich zur vollständigen Sequenzierung des menschlichen Erbguts und zum erfolgreichen vorzeitigen Abschluss des Humangenomprojektes beigetragen hatten. Er hatte unter anderem auch BLAST entwickelt, ein Programm zum Vergleich von DNA-Sequenzen mit den in öffentlich zugänglichen Datenbanken gespeicherten Sequenzen; es ist das meistgenutzte Suchprogramm der Molekularbiologie. Seit Juni 2012 arbeitet Myers als Direktor und Inhaber des „Klaus Tschira Chair“ am Zentrum für Systembiologie in Dresden.

Totipotente Stammzellen

Die Planarie Schmidtea mediterranea. © Sánchez Alvarado, University of Utah

Wie schon erwähnt, beruht die phantastische Regenerationsfähigkeit der Planarien auf dem Vorkommen einer über den ganzen Organismus verteilten dynamischen Population totipotenter Stammzellen. Sie werden als Neoblasten bezeichnet. Schon Morgan hatte vor über hundert Jahren gezeigt, dass aus einem kleinen Kopffragment einer Planarie alle fehlenden Körperteile einschließlich funktionsfähiger Geschlechtsorgane und Geschlechtszellen reproduziert werden können.

Im Gegensatz zu anderen vielzelligen Organismen - ob Mensch, Fliege oder Fadenwurm - scheint es bei diesen Würmern während ihrer Embryogenese keine scharfe Trennung zwischen Soma und Keimbahn zu geben. Die Neoblasten sind mitotisch aktiv und die einzigen Zellen, die sich während des ganzen Lebens des Wurms vermehren. In welche Zelltypen sich die Tochterzellen der Neoblasten differenzieren, hängt von räumlich und zeitlich unterschiedlich aktiven Genen ab. Die dafür verantwortlichen Mechanismen und Moleküle sind bisher aber kaum verstanden.

Das macht Schmidtea mediterranea zu einem für Regenerationsbiologen und Stammzellforscher interessanten Modellorganismus. Denn die Identifizierung der in Neoblasten und ihren Abkömmlingen aktiven Gene und der Regulationsmechanismen könnte auch Einsichten in die Differenzierung von totipotenten embryonalen und pluripotenten adulten Stammzellen bei höheren Organismen geben. Die Sequenzierung des Genoms von Schmidtea und ihren Verwandten durch Schloissnig und seine Mitarbeiter kann beitragen, die Aufklärung dieser fundamentalen Prozesse voranzutreiben.

Das Heidelberger Institut für Theoretische Studien (HITS) ist ein Forschungsinstitut der Klaus Tschira Stiftung; es war von SAP-Mitbegründer Klaus Tschira als private, gemeinnützige Forschungseinrichtung mit dem Zweck der Grundlagenforschung zur Verarbeitung und Strukturierung großer Datenmengen ins Leben gerufen worden.

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