Gehirnentwicklung: Zwei unabhängige Zelllinien bilden Säugetiergehirn

Lange Zeit ging die Entwicklungsbiologie davon aus, dass das menschliche Zentralnervensystem auf eine einzige gemeinsame Ursprungszelle zurückgeht. Eine im Fachjournal Nature Neuroscience (DOI 10.1038/s41593-026-02433-7) veröffentlichte Untersuchung eines Forschungsteams der Stanford University legt nun ein anderes Entwicklungsmodell dar: Das Gehirn von Säugetieren formiert sich demnach bereits im frühesten embryonalen Stadium aus zwei voneinander unabhängigen Zelllinien.

Frühe Trennung während der Gastrulation

Nach den Ergebnissen der Wissenschaftler Rayyan T. Jokhai, Carolyn E. Dundes und Kyle M. Loh entsteht das Säugetiergehirn aus zwei parallel angelegten Abstammungslinien während der sogenannten Gastrulation. Anstelle eines homogenen Ursprungsgewebes teilen sich die Vorläufer von Beginn an in ein anteriores und ein posteriores Neuralektoderm auf.

Zellen, die das Otx2-Gen exprimieren, bringen das spätere Vorder- und Mittelhirn hervor. Das Hinterhirn geht hingegen aus Zellen hervor, die durch das Gbx2-Gen definiert sind.

Überschneidungen zwischen beiden Populationen konnten die Forscher nicht feststellen. Bei Zellverfolgungsversuchen an Mäusen mittels Gbx2-CreER führte eine Markierung am embryonalen Tag 7,0 ausschließlich zur Bildung von Strukturen des Hinterhirns.

Eine anschließende Analyse von 494 Zellclustern aus 16 Embryonen, deren Markierung an Tag 7,5 vorgenommen und bis Tag 9,5 weiterverfolgt wurde, belegte das vollständige Ausbleiben einer zellulären Vermischung. Ergänzende OmniATAC-Sequenzierungen zeigten zudem, dass sich die Chromatinstrukturen beider Linien bereits an Tag 2 deutlich voneinander unterscheiden.

Evolutionäre Wurzeln des Konstruktionsprinzips

Die Trennung der Nervenanlagen ist kein neues Phänomen moderner Säugetiere, sondern ein entwicklungsgeschichtlich tief verankertes Prinzip. Die biologische Bauweise reicht mindestens 550 Millionen Jahre zurück.

Die Vorstellung von einer einzigen Ursprungszelle des Zentralnervensystems ist überholt: Eine Stanford-Untersuchung in Nature Neuroscience zeigt zwei parallel angelegte Zelllinien, die bereits während der Gastrulation getrennt bleiben. Unser kostenloser Leitfaden fasst den Befund zusammen und zeigt, wie daraus ein humanes Protokoll für funktionsfähige Hinterhirn-Motoneurone wurde. Kostenlosen Leitfaden jetzt anfordern

Vergleichbare vordere und hintere ektodermale Domänen lassen sich bereits bei Hemichordaten nachweisen, deren evolutionäre Abspaltung vor etwa 550 Millionen Jahren stattfand. Dies deutet auf einen gemeinsamen Ursprung beim Urvorfahren der Deuterostomier hin. Bereits Quallen, deren Entwicklungslinie sich vor 600 bis 700 Millionen Jahren abtrennte, weisen zwei getrennte Nervensysteme auf.

Relevanz für Stammzellmodelle und Krankheitsforschung

Neben dem theoretischen Verständnis der Hirnentwicklung liefert die Studie praktische Ansätze für die Biomedizin. Auf Basis der Entdeckung gelang es den Forschenden erstmals, aus menschlichen pluripotenten Stammzellen funktionstüchtige Motoneuronen des Hinterhirns gezielt heranzuzüchten. Das entwickelte humane Protokoll erzeugt Motoneuronen der Rhombomere 5 und 6, die nachweisbare Natrium- und Kaliumströme sowie Aktionspotenziale aufweisen.

Für ALS- und SMA-Modelle fehlten bislang gezielt erzeugte Zelltypen des Hinterhirns. Aus menschlichen pluripotenten Stammzellen lassen sich nun Motoneurone der Rhombomere 5 und 6 heranziehen — mit messbaren Ionenströmen und Aktionspotenzialen. Der Leitfaden ordnet ein, was das für die Modellierung neurodegenerativer Erkrankungen bedeutet. Leitfaden zur Zellherstellung sichern

Die gezielte Herstellung dieser Zelltypen eröffnet neue Optionen für die Modellierung und Erforschung neurodegenerativer Erkrankungen. Relevanz besitzt das Verfahren unter anderem für die Amyotrophe Lateralsklerose (ALS) und die spinale Muskelatrophie (SMA).

Zudem könnten die Erkenntnisse über die spezifischen Hinterhirnstrukturen für die Adipositasforschung von Bedeutung sein, insbesondere im Kontext von Wirkmechanismen rund um Substanzen wie Semaglutid.

de | wissenschaft | 70144795 |