Der Motor der Gehirnentwicklung

Das Protein Myosin trägt nicht nur dazu bei, dass sich Muskeln kontrahieren. Es ist auch für die Verschiebung des Kerns in Nervenstammzellen zuständig. Dies ermöglicht es dem Gehirn zu wachsen.

Es ist das faszinierendste aller Organe: das menschliche Gehirn. Wie sich aus einfachen Zellschichten ein komplexes Organ entwickelt, erforscht Wieland Huttner, Direktor am Dresdner Max-Planck-Institut für Molekulare Zellbiologie und Genetik (MPI-CBG). "Bei diesem Organ gilt: Size matters! - die Größe ist entscheidend". Denn Gehirngröße wird mit Intelligenz in Verbindung gebracht, und das menschliche Gehirn ist um ein Vielfaches größer als das von Säugetieren vergleichbarer Größe. Bei seiner Entwicklung müssen also zunächst sehr viele Zellen gebildet werden. Aus einer einfachen Zellschicht (Epithel) entsteht dann ein komplexes Netzwerk, ein vielschichtiges Gehirngewebe. Einen wichtigen Schritt bei der Gehirnentwicklung haben nun die Zellbiologen in Dresden aufgeklärt. (PNAS, 22. September 2009)

Während der Gehirnentwickung teilen sich neurale Stammzellen in einer bestimmten Zone des Gehirns, der Ventrikularzone. Damit möglichst viele Stammzellen entstehen, muss der Zellkern der neugebildeten neuralen Stammzellen zunächst von der Oberfläche des Gewebes wegwandern, um Platz für weitere Zellteilungen zu schaffen. Dieser "Trick" jedoch reicht nicht für Gehirne von Säugetieren aus, und so ist in der Evolution eine zweite Zellschicht unterhalb der Ventrikularzone entstanden, die Subventrikularzone, in der die aus neuralen Stammzellen hervorgegangenen neuronalen Vorläuferzellen die Nervenzellen der Gehirnrinde bilden.

Wie aber werden die Kerne von neuralen Stamm- und neuronalen Vorläuferzellen dorthin bewegt? Das Team um Huttner kann nun genau erklären, wie das geschieht: Die Evolution scheint das erfolgreiche Konzept der Muskelkontraktion mithilfe der Motorproteine Myosin und Aktin auch dafür zu nutzen, um Kernwanderungen zu ermöglichen.

Die Wissenschaftler standen dabei vor der Herausforderung, ein geeignetes Modell zu finden, um das Cytoskelett, das auch bei der Zellteilung eine wesentliche Rolle spielt, zu manipulieren. Dabei sollte auf keinen Fall die Zellteilung beeinträchtigt werden. "Wir haben es geschafft, das Gehirngewebe eines Mausembryos im Reagenzglas so zu kultivieren, dass die Entwicklung der Hirnrinde wie in der Gebärmutter abläuft", sagt Huttner. "So konnten wir gezielt die Aktivität von Myosin hemmen, ohne dabei den Zellzyklus zu beeinflussen."

Die Experimente zeigten, dass die Zellkerne nur bei ausreichender Aktivität des Motorproteins Myosin II in die richtige Richtung wandern und so eine erhöhte Zahl der Zellteilungen ermöglichen. Interessanterweise ist Myosin für beide Prozesse verantwortlich, für die Wanderung des Kerns neuraler Stammzellen weg von der Gewebeoberfläche und für die Kernwanderung neuronaler Vorläuferzellen in die Subventrikularzone.

Zwei grundlegende Kennzeichen der Entwicklung des zentralen Nervensystems von Säugetieren hängen also von ein und derselben Maschinerie sowie denselben zellbiologischen Prozessen ab: die Anordnung der Zellkerne wie in einem mehrschichtigen Epithel, obwohl die Ventrikularzone einschichtig ist, sowie die Ausbildung der Subventrikularzone, die ganz charakteristisch für das Großhirn bei Säugetieren ist.

Quelle: Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik, Dresden