In den ruhigen Gewässern Mexikos fasziniert der Axolotl, eine Salamanderart, Wissenschaftler seit langem durch seine bemerkenswerte Fähigkeit, verlorene Gliedmaßen zu regenerieren. Diese erstaunliche Fähigkeit hat den Axolotl in den Mittelpunkt des Interesses von Forschern und Forscherinnen gerückt, die versuchen, die Geheimnisse der Regeneration von Gliedmaßen zu entschlüsseln. Dennoch bleibt dieses Phänomen weitgehend unbekannt und sorgt für zahlreiche Polemiken.
Das Hauptelement ist eine Struktur namens "ektodermale Apikalleiste" (EAK), die eine wesentliche Rolle bei der Entwicklung der Gliedmaßen bei Wirbeltieren spielt. Im sich entwickelnden Embryo bildet sich die ERA aus einer Gliedmaßenknospe und wird zum wichtigsten Signalzentrum, das das ordnungsgemäße Wachstum der Gliedmaßen des neuen Organismus organisiert und gewährleistet. Fehlt die AER, können sich keine Gliedmaßen bilden.
Was hat das mit dem Axolotl zu tun? In vielen Studien, in denen untersucht wurde, wie der Axolotl seine Gliedmaßen regeneriert, konnte nicht festgestellt werden, ob der Axolotl AER-Zellen verwendet oder gar besitzt. Die Bedeutung dieses Phänomens darf nicht unterschätzt werden, da diese Zellen von vielen Arten geteilt werden und als Voraussetzung für die Entwicklung von Gliedmaßen, auch beim Menschen, gelten.
Wissenschaftler der EPFL und der Technischen Universität Dresden haben endlich den Mechanismus der Regeneration der Gliedmaßen des Axolotl entdeckt und damit neue Perspektiven mit weitreichenden Auswirkungen auf die regenerative Medizin beim Menschen eröffnet. Die in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlichte Studie wurde vom Team des ELISIR-Stipendiaten Can Aztekin und Branco Weiss von der Fakultät für Biowissenschaften der EPFL in Zusammenarbeit mit dem Team von Tatiana Sandoval-Guzmán von der Technischen Universität Dresden geleitet.
Einzellige Transkriptomik: ein Atlas für mehrere Arten
Die Forscherinnen und Forscher begannen mit der Erstellung eines "Atlas" - eines hochwertigen Datensatzes - des Transkriptoms einzelner Zellen aus verschiedenen Arten, darunter Axolotl, Mensch, Maus, Huhn und Frosch. Das Transkriptom stellt einen vollständigen Satz von RNA-Transkripten dar, die vom Genom einer Zelle produziert werden."Mithilfe eines neuartigen Atlas und dem Vergleich tausender einzelner Zellen von fünf Arten, darunter Mensch und Axolotl, gab uns unser Ansatz die Möglichkeit, die einzigartige Zelllandschaft des Axolotl während der Regeneration von Gliedmaßen sowie den Grad der Ähnlichkeit dieses Tieres mit dem Menschen objektiv zu bestimmen", sagt Can Aztekin.
Dieser Atlas war dazu gedacht, die Genexpressionsprofile verschiedener Arten während der Entwicklung und Regeneration von Gliedmaßen detailliert zu vergleichen und festzustellen, welche Gene beteiligt sind und welche nicht.
Diese umfassende Arbeit führte zu einer großen Entdeckung: Axolotl besitzen Zellen, die in ihren Eigenschaften den AER-Zellen sehr ähnlich sind. "Trotz früherer widersprüchlicher Berichte zeigt unsere Arbeit, dass diese Kreaturen Zellen mit ähnlichen Eigenschaften besitzen, wie sie für die Entwicklung der oberen und unteren Gliedmaßen bei anderen Spezies, einschließlich des Menschen, wichtig sind", sagt Jixing Zhong, Hauptautorin des Artikels und Doktorandin am Labor von Can Aztekin.
Neue Wege für die Regeneration von Gliedmaßen
Die Studie hat jedoch eine Wendung erfahren, die alte Annahmen zur Regeneration von Gliedmaßen in Frage stellt. Die Forscherinnen und Forscher verwendeten einen Ansatz, der als "räumliche Transkriptomik" bezeichnet wird. Diese hochmoderne Technik kann aufdecken, welche Gene in bestimmten Teilen eines Gewebes exprimiert werden.Dieser Ansatz ergab, dass die Gliedmaßen des Axolotl die AER-Zellen während der Regeneration nicht vollständig neu bilden. Can Aztekin erklärt: "Während der Regeneration der Gliedmaßen des Axolotls bilden sich die AER-Zellen nicht vollständig zurück, wie viele angenommen hatten, was sogar dem Dogma unserer häufig verwendeten Lehrbücher widerspricht. Dies offenbart einen einzigartigen Ansatz zur Regeneration von Gliedmaßen beim Axolotl".
Die Studie zeigte, dass der Axolotl wie andere Arten Teile des grundlegenden AER-Programms zur Entwicklung von Gliedmaßen nutzt, mit dem Unterschied, dass dieses Programm auf verschiedene Zelltypen verteilt ist. Abgesehen davon, dass diese Entdeckung alte Hypothesen über die Gliedmaßenregeneration und die Entwicklungsbiologie in Frage stellt, ermöglicht sie heute die Erforschung vielfältiger Strategien zur Gliedmaßenregeneration bei Säugetieren, einschließlich des Menschen.
"Während bisher angenommen wurde, dass es eine universelle Methode zur Regeneration von Gliedmaßen gibt, zeigen unsere Ergebnisse eine komplexere Realität auf", sagt Jixing Zhong. Can Aztekin fährt fort: "Bei der Untersuchung der Regenerationsfähigkeiten von Axolotln und Froschkaulquappen, den Arten, die dem Menschen evolutionär am nächsten stehen, haben wir festgestellt, dass diese Arten während des Regenerationsprozesses unterschiedliche Zelltypen verwenden, was darauf hindeutet, dass es mehrere Wege zur Regeneration von Gliedmaßen geben könnte."
