(25.01.2018) In unserer Ranking-Rubrik haben wir Ihnen zuletzt die meistzitierten Entwicklungsbiologen im deutschsprachigen Raum vorgestellt. Unter den meistzitierten Köpfen ganz vorn steht Jochen Wittbrodt vom Centre for Organismal Studies (COS) der Uni Heidelberg (um Verwirrungen vorzubeugen: Wittbrodt veröffentlicht unter seinem bürgerlichen Vornamen ‚Joachim’; ansonsten, so berichtet er uns, kenne man ihn aber nur als ‚Jochen’).
Ein Thema Wittbrodts ist die Augenentwicklung in Fischen. Die Heidelberger forschen hierzu an Zebrabärbling und Medaka, dem Japanischen Reisfisch. Und einige Fische können etwas, das Säugetieren leider nicht möglich ist: ihre Netzhaut nach Verletzungen regenerieren.
Laborjournal:Wenn sich eine verletzte Retina regeneriert, findet dann lokal eine Wiederholung der Embryogenese statt oder ist das ein vollkommen anderer Prozess?
Jochen Wittbrodt: Gute Frage. Ich würde sagen, molekular und mechanistisch ist es der Embryogenese sehr ähnlich. Die Herausforderung ist aber eine andere. Stellen Sie sich vor, in einem Haus wurde eine Wand eingetreten, die sie jetzt reparieren wollen. Natürlich brauchen Sie dasselbe Material wie beim Bau des Hauses: Ziegel und Mörtel. Es ist aber trotzdem nicht dasselbe, ob man eine Wand hochmauert oder ob man ein Loch in der Wand stopft.
Eine Schlüsselrolle fürs Regenerieren der Netzhaut beim Fisch spielen die sogenannten Müller-Gliazellen. Die kann man sich als Stammzellen in einem Ruhezustand vorstellen, oder?
Wittbrodt: Ja. Müller-Gliazellen können dedifferenzieren und wieder proliferativ aktiv werden, um dann verschiedene Schicksale anzunehmen. Das kommt auf den Organismus und die Art der Verletzung an. Beim Zebrabärbling können sie lebenslang in der gesamten Retina Vorläuferzellen hervorbringen. Daraus entwickeln sich dann Photorezeptoren und andere Zellen der Retina.
Können das alle Fische?
Wittbrodt: Nein, in Medaka sehen wir einen anderen Mechanismus. Dort agieren die Müller-Gliazellen nicht als Stammzellen, sondern sie verhalten sich wie Vorläuferzellen, denen nur ein Schicksal möglich ist: Photorezeptoren.
Also können die Müller-Gliazellen auch in Medaka zumindest Teile der Netzhaut wieder aufbauen.
Wittbrodt: Sie können sich dabei aber nicht mehr selbst regenerieren. Mit jeder Reparaturaktion verringert sich der Pool an Müller-Gliazellen, weil die differenzierende Zelle bei der Teilung eben keine Müller-Gliazelle mehr hinterlässt. Kommt es später an derselben Stelle erneut zu einer Verletzung, kann dieser Schaden nicht wieder behoben werden. Beim Zebrabärbling aber bleibt das volle Regenerationsvermögen erhalten.
AG Wittbrodt inklusive Hiwis, Bachelor-, Master- und Rotationsstudenten
Sie haben für diesen Prozess ein Atonal-Gen als Schlüsselfaktor identifiziert: Atoh7. Dieser Transkriptionsfaktor ist schon während der Embryogenese gegen Ende der Retina-Entwicklung hochreguliert. 2016 haben Sie dann gezeigt, dass Atoh7 im erwachsenen Fisch in den Müller-Gliazellen auch die Regeneration anregen kann.
Wittbrodt: Damals gingen wir davon aus, dass die Hauptfunktion von Atoh7 darin besteht, die Differenzierung zu retinalen Ganglienzellen zu steuern. Wenn wir Atoh7 aber in die Müller-Gliazellen einbringen und über eine Verletzung der Retina die Proliferation anregen, dann entstehen daraus die verschiedensten Zelltypen der Retina. Auch in Medaka kann die Müller-Gliazelle dann plötzlich alles machen – vom Photorezeptor bis runter zu den retinalen Ganglienzellen, den Horizontal- und den Bipolarzellen. Inklusive der Müller-Gliazelle selbst.
Also verbrauchen sich die Müller-Gliazellen in Medaka nicht, wenn man darin künstlich Atoh7 zur Expression bringt?
Wittbrodt: Genau. Und normalerweise beobachten wir in Medaka eben nicht, dass aus einer angeregten Müller-Gliazelle nach einer Teilung wieder eine Müller-Gliazelle wird. Es gibt dann bei einer Verletzung nur einen transienten Atoh7-Puls, der sofort wieder runtergeht.
Im Paper stellen Sie auch Ergebnisse vor, wonach Atoh7 letztlich Notch aktiviert. Demnach reicht auch allein das Notch-Signal, um die Proliferation der Müller-Ganglienzellen zu triggern.
Wittbrodt: Ja, diese Notch-Sache war überraschend. Wir haben in vivo gesehen, dass der Notch-Pathway hochreguliert wird – sowohl als Antwort auf eine Verletzung als auch nach einem Atoh7-Trigger. Notch ist ein Universalwerkzeug in der Embryonalentwicklung und spielt in ganz vielen Prozessen eine Rolle. Ich glaube, dass es hauptsächlich deswegen wichtig ist, weil es erlaubt, regelmäßige Muster wieder aufzubauen. Und in der Retina haben wir eine sehr regelmäßige Verteilung der verschiedenen Photorezeptortypen. Das ist fast schon eine kristalline Struktur – die muss nach einer Verletzung ja wieder hergestellt werden. Die Aufgabe von Notch ist vermutlich, gewissermaßen zu lesen, wie sich die Umgebung verhält, um dann nach dieser Vorgabe ein Muster wieder neu aufzubauen.
Macht Notch nicht auch bei der Entwicklung des Nervensystems etwas ähnliches? Wenn festgelegt werden muss, welche Zellen zu Neuronen werden und welche nicht?
Wittbrodt: Da gibt es Parallelen. Dahinter steckt das Prinzip der lateralen Inhibition.
Das bedeutet, dass Zellen ihre Umgebung hemmen und ein bestimmtes Schicksal unterdrücken. Und wenn das alle Zellen in einem Verband tun, gewinnen einige die Oberhand, und es organisiert sich wie von selbst ein regelmäßiges Muster.
Wittbrodt: Und Notch ist während der Embryonalentwicklung auch im Auge essentiell für den Aufbau der regelmäßigen Muster. Natürlich startet man in der Embryogenese mit einem freien Feld, wo Sie irgendwo beginnen können. Vor der Retina-Regeneration aber haben wir eine eingetretene Wand, um bei der Analogie von eben zu bleiben. Und da müssen die Zellen dann eben auf die Ränder hören, um eine geordnete Struktur aufzubauen. Notch ist aber auch dafür genau der richtige Sensor, um die Lücke richtig zu füllen.
Sie haben ganz aktuell einen weiteren Artikel in Arbeit, der vorab auf bioRxiv erschienen ist. Darin geht es ebenfalls um Retina-Regeneration und die Müller-Gliazellen.
Wittbrodt: Wir fanden den Vergleich spannend zwischen dem regenerierenden System im Zebrabärbling und dem reparierenden System in Medaka. Die beiden Fischarten trennen 300 Millionen Jahre Evolution, und trotzdem können die Zellen in Medaka im Prinzip noch ihr Regenerationsprogramm abspulen. Wir wollten wissen, was hier der echte Trigger ist. Da haben wir jetzt Sox2 als Schlüsselfaktor ausfindig gemacht – einen der vier Yamanaka-Faktoren.
Yamanaka-Faktoren – da geht es um die Induktion pluripotenter Stammzellen, richtig?
Wittbrodt: Genau, das sind die vier bekannten Faktoren, die aus normalen Zellen im Prinzip Stammzellen machen können. Uns fiel nun auf, dass beim Zebrabärbling in den Müller-Gliazellen der Sox2-Transkriptionsfaktor kontinuierlich exprimiert ist. Und vor allem wird er heraufreguliert, wenn das Auge verletzt ist. Im Gegensatz dazu ist die Sox2-Expression in Medaka ausgeschaltet. Was wir in dem bald erscheinenden Paper vorstellen, ist ein Tool, mit dem wir in die Medaka-Müller-Gliazellen ein gewisses Sox2-Expressionslevel aufrecht halten. Dann macht das Medaka-Auge nach einer Verletzung genau das, was auch das Zebrabärblingsauge macht: Es regeneriert vollständig; die Müller-Gliazellen bilden wieder neue Müller-Gliazellen und zusätzlich alle Zelltypen der Retina.
Also liegt Sox2 noch weiter upstream von Atoh2 und ist der eigentliche Schlüsselfaktor, um die vollständige Regeneration der Netzhaut zu ermöglichen?
Wittbrodt: So interpretieren wir das momentan. Sox2 ist die Basis, und Atoh7 war damals eigentlich nur eine Hintertür, durch die wir uns reingeschlichen haben. Falls man irgendwann einmal an Therapien am Menschen denkt, dann würde ich aber lieber den Hauptweg nehmen und über Sox2 gehen.
Wie könnte eine solche Therapie aussehen?
Wittbrodt: Auf jeden Fall würde ich Sox2 nicht als Genkonstrukt in den Organismus einbringen und dauerhaft exprimieren wollen. Diese Yamanaka-Faktoren spielen nämlich alle auch eine Rolle in der Krebsentwicklung. Stattdessen stelle ich mir Small Molecule Drugs vor, die für einen überschaubaren Zeitraum die Sox2-Expression anregen und eine begrenzte Halbwertzeit haben. Grundsätzlich sehe ich auf lange Sicht ein großes therapeutisches Potential, um über Sox2 eine verletzte Retina wiederherstellen zu können.
Interview: Mario Rembold