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Eine Blaupause zur Regeneration von Gliedmaßen
Der Axolotl Salamander ist auf seine Art ein mächtiges Tier. Hacken Sie sein Bein ab, und der Kiemenkreatur wird ein neues wachsen. Frieren Sie einen Teil seines Herzens ein, und das Organ wird sich neu bilden. Schneiden Sie die Hälfte seines Gehirns heraus, und sechs Monate später wird eine weitere Hälfte an seiner Stelle sprossen. Sie können alles daran tun, außer es zu töten, und es wird sich regenerieren, sagt Gerald Pao, ein Postdoktorand am Salk Institute for Biological Studies in La Jolla, Kalifornien.
Wachsende Gliedmaßen: Der Axolotl-Salamander ist eines der wenigen Wirbeltiere, das als Erwachsener ganze Gliedmaßen nachwachsen kann. Wissenschaftler sequenzieren nun Teile seines ungewöhnlich großen Genoms, um die genetischen Grundlagen für diese Fähigkeit zu verstehen.
Diese außergewöhnliche Regenerationskraft inspirierte Pao und seinen Mitarbeiter Wei Zhu, ebenfalls am Salk Institute, dazu, die DNA des Axolotl-Salamanders zu untersuchen. Trotz jahrzehntelanger Erforschung des Salamanders ist über sein Genom wenig bekannt. Das begann sich im letzten Jahr zu ändern, als Pao und seine Mitarbeiter freie Sequenzierung im Wert von einer Milliarde Basen gewannen Roche Angewandte Wissenschaft , mit Sitz in Penzberg, Deutschland. Jetzt, da die Daten vorliegen, können Wissenschaftler endlich mit der Jagd nach dem genetischen Programm beginnen, das dem Tier seine einzigartigen Fähigkeiten verleiht.
Während alle Tiere bis zu einem gewissen Grad Gewebe regenerieren können – wir können zum Beispiel Muskeln, Knochen und Nerven wachsen lassen – sind Salamander und Molche die einzigen Wirbeltiere, die als Erwachsene ganze Organe und Ersatzglieder wachsen lassen können. Wenn ein Bein durch eine Verletzung verloren geht, beginnen sich die Zellen in der Nähe der Wunde zu dedifferenzieren und verlieren die spezialisierten Eigenschaften, die sie zu einer Muskel- oder Knochenzelle gemacht haben. Diese Zellen replizieren dann und bilden eine Gliedmaßenknospe oder ein Blastem, aus dem ein Glied auf die gleiche Weise wächst, wie es sich während der normalen Entwicklung bildet.
Wissenschaftler haben einige der molekularen Signale identifiziert, die bei diesem Prozess eine Schlüsselrolle spielen, aber der genetische Bauplan, der der Regeneration zugrunde liegt, bleibt unbekannt. Die Forscher hoffen, dass sie durch das Aufdecken dieser molekularen Tricks sie letztendlich auf den Menschen anwenden können, um beschädigtes Herz- oder Gehirngewebe nachwachsen zu lassen und vielleicht sogar neue Gliedmaßen wachsen zu lassen.
Um schnell Abschnitte des Genoms des Salamanders zu identifizieren, die an der Regeneration beteiligt sind, sequenzierten die Wissenschaftler Gene, die während der Bildung und des Wachstums der Gliedmaßenknospen am stärksten exprimiert wurden. Sie fanden heraus, dass während der Regeneration mindestens 10.000 Gene transkribiert wurden. Ungefähr 9.000 davon scheinen verwandte menschliche Versionen zu haben, aber es scheint noch einige Tausend mehr zu geben, die nicht bekannten Genen ähneln. Wir glauben, dass viele von ihnen Gene sind, die sich auf einzigartige Weise in Salamandern entwickelt haben, um bei diesem Prozess zu helfen, sagt Randal Voss , ein Biologe an der University of Kentucky, der an dem Projekt arbeitet.
Die Forscher planen nun, einen Genchip herzustellen, der die Konzentration einiger dieser Kandidatengene erkennen soll, damit die Wissenschaftler genau bestimmen können, zu welchem Punkt während des Regenerationsprozesses die Gene aktiviert werden. Das Team entwickelt auch molekulare Werkzeuge, die es ihnen ermöglichen, bestimmte Gene zum Schweigen zu bringen, wodurch sie diejenigen lokalisieren können, die für ein ordnungsgemäßes Nachwachsen entscheidend sind.
Wissenschaftler sequenzierten auch zufällige Teile des Salamander-Genoms. Mit etwa 30 Milliarden Basen und der 10-fachen Größe des menschlichen Genoms ist es eines der größten unter den Wirbeltieren. Die meisten Wissenschaftler erwarteten, dass die zusätzliche DNA aus Junk-DNA bestehen würde, langen Basenabschnitten zwischen den Genen. Doch erste Erkenntnisse waren überraschend. Die Gene sind im Durchschnitt 5 bis 10 Mal größer als bei anderen Wirbeltieren, sagt Voss. Die Region des Genoms, die Gene enthält, wird auf mehr als zwei Gigabasen geschätzt, was so groß ist wie einige ganze Genome.
Die zusätzlichen DNA-Sequenzen sitzen innerhalb von Genen und werden während der Translation vom Gen zum Protein herausgeschnitten. Ein Großteil dieser DNA besteht aus sich wiederholenden Sequenzen, die bisher in keinem anderen Organismus gefunden wurden, sagt Pao. Es ist jedoch noch nicht klar, ob diese sich wiederholenden Dehnungen die Regeneration fördern oder eine andere Rolle im Lebenszyklus des Salamanders spielen.
Eine der noch zu beantwortenden Schlüsselfragen ist, ob der Salamander einzigartige genetische Eigenschaften hat, die die Regeneration ermöglichen, oder ob alle Tiere diese angeborene Fähigkeit haben. Wenn wir auf ein völlig einzigartiges Gen kommen, das nur in Axolotl vorhanden ist, würde es wirklich schwer zu replizieren, sagt David Gardiner , ein Biologe an der University of California, Irvine, der ebenfalls an dem Projekt mitarbeitet. Er zieht es vor, zu glauben, dass die Regeneration von einer grundlegenden Fähigkeit, die bei Säugetieren schlummert, herrührt, die mit einigen einfachen genetischen Anstößen wieder geweckt werden könnte. Der größte Teil des Gewebes in unserem Arm regeneriert sich; Nur der Arm regeneriere sich nicht, sagt er. Was fehlt, ist, wie Sie eine Reaktion koordinieren, um eine integrierte Struktur zu erhalten.