Stammzellen - Eine kurze Einführung

Präsentation zum Thema: "Stammzellen - Eine kurze Einführung"—  Präsentation transkript:

1 Stammzellen - Eine kurze Einführung
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2 Sehr geehrter Sprecher…
Diese Präsentation soll eine Hilfe für Wissenschaftler, Dozenten und Wissenschafts-vermittler für den flexiblen Einsatz darstellen. Dafür wird nicht immer jede Folie nützlich sein. Verwenden Sie einfach die Folien, die zu Ihrem Publikum passen, ergänzen Sie die Präsentation mit Ihren eigenen Folien oder nutzen Sie nur die Abbildungen. Inhalt Grundlagen der Stammzellbiologie: Für Schüler ab 16 Jahren oder Erwachsene mit keinem oder wenig Hintergrundwissen Klonen & Klonieren: Für Erwachsene mit keinem oder wenig Hintergrundwissen, einführende Folien für Schüler ab 16 Jahren Stammzellbiologie im Detail: Für informierte fachfremde Personen, z.B. Ärzte und Wissenschaftler aus anderen Fachgebieten. Notizen für Referenten Jede Folie in den Abschnitten “Grundlagen” und “Klonen” enthält Erläuterungen zur einfachen und allgemein verständlichen Erklärung der Hauptpunkte. Die detaillierteren Folien im letzten Abschnitt haben deutlich kürzere Notizen und setzen ein Grundwissen über Stammzellforschung voraus. Weiterführende Informationen & Material Der 15-minütige Film “A Stem Cell Story” bietet eine hervorragende Einführung ins Thema Stammzellen und deckt viele der hier vorgestellten Konzepte ab (zu finden unter ) Für Fragen oder Kommentare schreiben Sie uns unter 2

3 Grundlagen der Stammzellbiologie

4 Eine Lebensgeschichte…
Die Entstehung eines Menschen beginnt mit nur einer einzigen Zelle – der befruchteten Eizelle. Diese Zelle teilt sich und produziert so 2 “Tochterzellen”. Diese teilen sich wieder in neue Tochterzellen, welche sich wieder teilen usw. Damit ein Baby oder sogar ein erwachsener Körper entstehen kann, sind sehr viele große Schritte notwendig. Auf dem Weg dahin müssen zahlreiche verschiedene Zelltypen hergestellt werden.

5 Was ist eine Stammzelle?
Selbsterneuerung (Kopieren) Spezialisierte Zelle z.B. Muskelzelle, Nervenzelle Differenzierung (Spezialisierung) Was ist eine Stammzelle Hinweis: Die nächste Folie bietet eine Alternative zu dieser Abbildung, die für ein jungeres Publikum verständlicher sein könnte. Die Abbildung soll zeigen, dass die Annahme falsch ist, dass eine Stammzelle immer, also bei jeder Teilung, eine Kopie von sich und der spezialisierten Zelle produziert (s. unten). Das Konzept einer Stammzelle wird sehr gut in dem Kurzfilm “A Stem Cell Story” unter vermittelt. Was die Abbildung zeigt Stammzellen unterscheiden sich von anderen Zellen des Körpers dadurch, dass sie beides können: Selbsterneuerung: Kopien von sich selbst anfertigen UND 2) Differenzierung: Herstellen anderer Zelltypen – den spezialisierten Zellen des Körpers. “Spezialisierte” bzw. “differenzierte” Zellen spielen eine wichtige Rolle im Körper und sind z.B. Blutzellen, Nervenzellen oder Muskelzellen. Spezialisierte Zellen können sich nicht mehr teilen, um Kopien von sich zu machen. Darum sind Stammzellen sehr wichtig. Der Körper braucht Stammzellen, um spezialisierte Zellen, die sterben, die beschädigt sind oder deren Lebensdauer dem Ende zugeht, zu ersetzen. Zellteilung – Mögliche Fragen 1) Schüler (16 oder älter) könnten sich daran erinnern, dass die bereits gelernt haben, dass es 2 Arten von Zellteilung gibt – Mitose und Meiose. Sie könnten gelernt haben, dass Mitose während der Wundheilung stattfindet oder um kurzlebige Zellen zu ersetzen, ohne dabei jemals über Stammzellen diskutiert zu haben. Es könnte daher nötig sein, zu erklären, dass die meisten spezialisierten Zellen keine Mitose durchführen können. Bis auf wenige Ausnahmen (z.B. Leberzellen oder T-Zellen) können sich spezialisierte Zellen nicht mehr teilen. Hautzellen oder Blutzellen können sich nicht mehr teilen. Stammzellen jedoch teilen sich durch Mitose und das macht sie so wichtig für das Ersetzen von verloren gegangenen oder beschädigten spezialisierten Zellen. 2) Sollte Mitose diskutiert werden, könnte es hilfreich sein, folgenden Hinweis zu geben: Bei der Mitose ist die DNA der Tochterzelle identisch zur DNA in der sich teilenden Zelle. Dies trifft auch auf sich teilende Stammzellen zu, sowohl während der Selbsterneuerung als auch der Differenzierung. Durch die Differenzierung sind die Tochterzellen spezialisierter als die ursprüngliche Stammzelle. Das heißt, die Tochterzelle verhält sich anders, obwohl sie die gleiche DNA in sich trägt wie die Stammzelle. Der Grund dafür sind viele andere Moleküle in und außerhalb der Zelle, die ihr Verhalten beeinflussen. 3) Wissenschaftler glauben, dass menschliche Stammzellen bei der Teilung wahrscheinlich ENTWEDER zwei Stammzellen ODER zwei spezialisiertere Zellen bilden. In der Fruchtfliege können Stammzellen bei einer Teilung auch eine Stammzelle und eine spezialisiertere Zelle bilden.

6 Was ist eine Stammzelle?
Identische Stammzellen Stammzelle Selbsterneuerung (Kopieren) Stammzelle Spezialisierte Zelle Differenzierung (Spezialisierung) Was ist eine Stammzelle? Hinweis: Auf der vorherigen Folie ist eine alternative Version dieser Abbildung zu finden. Das Konzept einer Stammzelle wird sehr gut in dem Kurzfilm “A Stem Cell Story” unter vermittelt. Was die Abbildung zeigt Stammzellen unterscheiden sich von anderen Zellen des Körpers dadurch, dass sie beides können: Selbsterneuerung: Kopien von sich selbst anfertigen UND 2) Differenzierung: Herstellen anderer Zelltypen – spezialisierte Zellen des Körpers. “Spezialisierte” bzw. “differenzierte” Zellen spielen eine wichtige Rolle im Körper und sind z.B. Blutzellen, Nervenzellen oder Muskelzellen. Spezialisierte Zellen können sich nicht mehr teilen, um Kopien von sich zu machen. Das macht Stammzellen sehr wichtig. Der Körper braucht Stammzellen, um spezialisierte Zellen, die sterben, die beschädigt sind oder deren Lebensdauer dem Ende zugeht, zu ersetzen. Zellteilung – Mögliche Fragen 1) Schüler (16 oder älter) könnten sich daran erinnern, dass die bereits gelernt haben, dass es 2 Arten von Zellteilung gibt – Mitose und Meiose. Sie könnten gelernt haben, dass Mitose während der Wundheilung stattfindet oder um kurzlebige Zellen zu ersetzen, ohne dabei jemals über Stammzellen diskutiert zu haben. Es könnte daher nötig sein, zu erklären, dass die meisten spezialisierten Zellen keine Mitose durchführen können. Bis auf wenige Ausnahmen (z.B. Leberzellen oder T-Zellen) können sich spezialisierte Zellen nicht mehr teilen. Hautzellen oder Blutzellen können sich nicht mehr teilen. Stammzellen jedoch teilen sich durch Mitose und das macht sie so wichtig für das Ersetzen von verloren gegangenen oder beschädigten spezialisierten Zellen. 2) Sollte Mitose diskutiert werden, könnte es hilfreich sein, folgenden Hinweis zu geben: Bei der Mitose ist die DNA der Tochterzelle identisch zur DNA in der sich teilenden Zelle. Dies trifft auch auf sich teilende Stammzellen zu, sowohl während der Selbsterneuerung als auch der Differenzierung. Durch die Differenzierung sind die Tochterzellen spezialisierter als die ursprüngliche Stammzelle. Das heißt, die Tochterzelle verhält sich anders, obwohl sie die gleiche DNA in sich trägt wie die Stammzelle. Der Grund dafür sind viele andere Moleküle in und außerhalb der Zelle, die ihr Verhalten beeinflussen. 3) Wissenschaftler glauben, dass menschliche Stammzellen bei der Teilung wahrscheinlich ENTWEDER zwei Stammzellen ODER zwei spezialisiertere Zellen bilden. In der Fruchtfliege können Stammzellen bei einer Teilung auch eine Stammzelle und eine spezialisiertere Zelle bilden.

7 Warum selbsterneuern UND differenzieren?
1 Stammzelle 1 Stammzelle 4 spezialisierte Zellen Warum selbsterneuern UND differenzieren? Selbsterneuerung ist nötig, da ohne das Kopieren der Stammzellen schnell keine mehr da sein würden. Es ist also wichtig für den Körper, den Bestand an Stammzellen ein Leben lang zu erhalten. Differenzierung ist wichtig, da spezialisierte Zellen während des Lebens ständig aufgebraucht werden, Schaden nehmen oder sterben. Spezialisierte Zellen können sich nicht mehr teilen und so keine Kopien von sich machen. Damit ein Körper funktionieren kann, müssen sie jedoch ständig ersetzt werden. So werden z.B. täglich Millionen Blutzellen benötigt. Natürlich ist Differenzierung auch dafür verantwortlich, alle verschiedenen Zelltypen des Körpers während der Entwicklung eines Embryos aus einer einzelnen befruchteten Eizelle zu bilden. Mögliche Fragen oder Missverständnisse 1) Schüler könnten gelernt haben, dass Zellen Mitose durchführen um Kopien von sich zu bilden während der Wundheilung oder um Blutzellen zu ersetzen. Es könnte hilfreich sein, zu erläutern, dass spezialisierte Zellen wie z.B. Hautzellen, rote Blutkörperchen oder Darmzellen keine Mitose mehr durchführen können, weshalb Stammzellen nötig sind, um diese zu ersetzen. Bis auf ein paar Ausnahmen (z.B. Leberzellen oder T-Zellen) können sich spezialisierte Zellen in der Regel nicht mehr teilen. Für ein erwachsenes Publikum könnte dieser Sachverhalt ausgedehnt werden, indem auf die Vorstellung eingegangen wird, dass es Zwischenstufen von spezialisierenden Zellen (Vorläufer) gibt. Diese teilen sich, um eine große Zahl an neuen Zellen zu bilden (siehe Folie 26 über erneuernde Gewebe). 2) Wissenschaftler glauben, dass Stammzellen im menschlichen Körper in der Regel nicht während der Mitose eine neue Stammzelle und eine spezialisierte Zelle bilden, sondern wahrscheinlich ENTWEDER zwei neue Stammzellen ODER zwei spezialisiertere Zellen. In der Fruchtfliege können Stammzellen sowohl eine Stammzelle als auch eine spezialisierte Zelle während der Teilung bilden. Differenzierung – ersetzt tote oder beschädigte Zellen ein Leben lang Selbsterneuerung – Erhält den Stammzellbestand

8 Embryonale Stammzellen
Wo findet man Stammzellen? Embryonale Stammzellen Blastozyste – ein sehr früher Emryo Gewebestammzellen Fötus, Baby und ein Leben lang Wo findet man Stammzellen? Es gibt verschiedene Arten von Stammzellen: Embryonale Stammzellen: zu finden in der Blastozyste, einem sehr frühen Embryonalstadium, das aus ca Zellen besteht Gewebestammzellen: zu finden in den verschiedenen Geweben des Körpers (im Fötus, Baby, Kind und Erwachsenen) (Gewebestammzellen werden manchmal auch als adulte Stammzellen bezeichnet, obwohl sie sowohl im Fötus und in Babys als auch in Erwachsenen vorhanden sind.)

9 Arten von Stammzellen: 1) Embryonale Stammzellen

10 Embryonale Stammzellen (ES-Zellen):
Wo wir sie finden Blastozyste Äußere Zellschicht = ‘Trophektoderm’ Zellen im Inneren = ‘innere Zellmasse’ Kultur im Labor, um mehr Zellen herzustellen Flüssigkeit mit Nährstoffen Embryonale Stammzellen entnommen aus der inneren Zellmasse Embryonale Stammzellen – Wo sie herkommen Embryonale Stammzellen (ES-Zellen) werden aus dem Inneren der Blastozyste entnommen, einem sehr frühen Stadium der Embryonalentwicklung. Die Blastozyste ist eine Kugel aus Zellen, die noch nicht in der Gebärmutterschleimhaut eingenistet ist. Sie besteht aus einer äußeren Zellschicht, einem mit Flüssigkeit gefülltem Innenraum und einer Ansammlung von Zellen, der sogenannten inneren Zellmasse. ES-Zellen findet man in der inneren Zellmasse. Eine einfache, verständliche Erklärung der Gewinnung von embryonalen Stammzellen liefert der Film “A Stem Cell Story” unter

11 Embryonale Stammzellen (ES-Zellen):
Was sie können Alle möglichen Arten von spezialisierten Zellen Differenzierung Embryonale Stammzellen PLURIPOTENT Emryonale Stammzellen: was sie alles können Emryonale Stammzellen sind sehr spannend, da sie alle verschiedenen Zelltypen des Körpers bilden können – Wissenschaftler nennen sie deshalb pluripotent.

12 Embryonale Stammzellen (ES-Zellen):
Herausforderungen Haut Kultur unter Bedingung A Nerven-zellen Kultur unter Bedingung B Blut Kultur unter Bedingung C Embryonale Stammzellen Kultur unter Bedingung D ? Embryonale Stammzellen: Herausforderungen Wissenschaftler auf der ganzen Welt versuchen zu verstehen, wie Embryonale Stammzellen Haut, Blut, Nervenzellen oder alle anderen Arten von spezialisierten Zellen bilden. Was kontrolliert diesen Vorgang, sodass zum richtigen Zeitpunkt die richtige Anzahl an Zellen gebildet wird? Die große Herausforderung für die Wissenschaftler ist zu lernen, wie man diese faszinierenden Zellen kontrollieren kann. Wenn wir embryonale Stammzellen dazu bringen könnten, jeden Zelltyp unserer Wahl zu bilden, hätten wir ein sehr mächtiges Werkzeug für die Entwicklung von Therapien für Krankheiten. Zum Beispiel könnten wir Insulin-produzierende Zellen herstellen, die dann einem Diabetes-Patienten transplantiert werden könnten. Bis solche Therapien entwickelt werden können, gibt es aber noch viel zu lernen und zu verstehen. Wissenschaftler möchten Stammzellen auch für folgende Zwecke einsetzen: Verstehen, wie Krankheiten entstehen (Krankheitsmodellierung) Testen von Medikamenten im Labor Leber

13 Arten von Stammzellen 2) Gewebestammzellen

14 Gewebestammzellen: Wo wir sie finden
Oberfläche des Auges Gehirn Haut Brust Darm Hoden Knochenmark Gewebestammzellen: wo wir sie finden Wir alle haben ständig Stammzellen in unserem Körper. Sie sind nötig, um uns fit und gesund zu halten. Sie ersetzen beschädigte oder aufgebrauchte Zellen. Wissenschaftler beschäftigen sich noch immer damit, zu verstehen, welche verschiedenen Arten von Gewebestammzellen es gibt und wie sie funktionieren. Muskeln

15 Gewebestammzellen: Was sie können
Blutstammzelle Differenzierung Zu finden im Knochenmark Nur spezialisierte Zelltypen: Rote & weiße Blutkörperchen, Blutplättchen MULTIPOTENT Gewebestammzellen: was sie können Gewebestammzellen können oft einige Arten von spezialisierten Zellen bilden, allerdings nicht so viele wie Embryonale Stammzellen. Gewebestammzellen können NUR die Zelltypen bilden, die in dem Gewebe vorkommen, zu dem sie gehören. Das heißt, Blutstammzellen können nur alle verschiedenen Zelltypen bilden, die im Blut vorkommen. Gehirnstammzellen können nur Zellen des Gehirns herstellen. Muskelstammzellen können nur Muskelzellen bilden usw. Wissenschaftler nennen Gewebestammzellen multipotent, weil sie mehrere (multiple) Arten von spezialisierten Zellen bilden können, aber NICHT alle Zelltypen des Körpers.

16 3)Induzierte pluripotente Stammzellen (iPS-Zellen)
Arten von Stammzellen 3)Induzierte pluripotente Stammzellen (iPS-Zellen)

17 Induzierte pluripotente Stammzellen (iPS-Zellen)
Körperzelle ‘genetische Reprogrammierung’ = Hinzufügen bestimmter Gene zu der Zelle Induzierte pluripotente Stammzelle (iPS-Zelle) Verhält sich wie eine embryonale Stammzelle Alle möglichen Arten von spezialisierten Zellen Kultur von iPS-Zellen im Labor Differenzierung Induzierte pluripotente Stammzellen (iPS-Zellen) Hinweis: Diese Folie enthält sehr viele Informationen und könnte zu komplex für manche Zuhörer sein, es sei denn, es gibt viel Zeit für Erklärungen und Diskussionen. Was sind iPS-Zellen? Im Jahr 2006 entdeckten Wissenschaftler die Möglichkeit, eine neue Art von Stammzellen im Labor herzustellen. Sie fanden heraus, dass es möglich ist, Hautzellen von der Maus in Zellen umzuwandeln, die sich genau wie embryonale Stammzellen verhalten. Im Jahr 2007 haben Forscher das Gleiche dann mit menschlichen Zellen gemacht. Diese neuen Stammzellen, die im Labor hergestellt werden, werden induzierte pluripotente Stammzellen genannt. Genau wie embryonale Stammzellen können sie alle verschiedenen Zelltypen des Körpers bilden – also nennen wir sie pluripotent. Induzierte pluripotente Stammzellen (iPS-Zellen) herzustellen ist ein bisschen so, als würde man die Zeit zurück drehen. Wissenschaftler fügen bestimmte Gene zu Körperzellen hinzu, damit diese sich so wie embryonale Stammzellen verhalten. Dieser Vorgang ähnelt dem Verändern von Befehlen in einem Computerprogramm, um das Programm eine neue Aufgabe lösen zu lassen. Wissenschaftler nennen den Vorgang, den sie benutzen, um iPS-Zellen herzustellen, „genetische Reprogrammierung“. Warum sind sie so spannend? Forscher hoffen, dass sie eines Tages iPS-Zellen benutzen können, um Krankheiten wie Parkinson oder Alzheimer zu behandeln. Sie hoffen, folgendes zu machen: Entnehmen von Körperzellen – wie z.B. Hautzellen – eines Patienten Herstellen von iPS-Zellen Benutzen dieser iPS-Zellen, um die spezialisierten Zellen zu bilden, die ein Patient braucht, um wieder gesund zu werden wie bspw. bestimmte Gehirnzellen. Diese Zellen würden aus den eigenen Hautzellen des Patienten gebildet werden. Dadurch würde der Körper diese Zellen nicht abstoßen. Es ist noch ein langer Weg, bis die Wissenschaftler all das machen können, aber iPS-Zellen sind eine spannende Entdeckung. Vorteil: keine Embryos benötigt!

18 Induzierte pluripotente Stammzellen (iPS-Zellen)
genetische Reprogrammierung Pluripotente Stammzelle (iPS) Körperzelle (Haut) Differenzierung Knorpel Nervengewebe Muskel Induzierte pluripotente Stammzellen (iPS-Zellen) Dies ist eine alternative Darstellung derselben Informationen auf der vorherigen Folie. Bitte verwenden Sie die dort gegebenen Erklärungen. Knochen Respiratorisches Epithelium Haut 18

19 Stammzell-Jargon Potenzial Ein Maß dafür, wie viele verschieden Zelltypen eine Stammzelle bilden kann Pluripotent Kann alle Arten von spezialisierten Zellen des Körpers bilden Embryonale Stammzellen sind pluripotent Multipotent Kann mehrere (multiple) Arten von spezialisierten Zellen bilden, aber nicht alle Zelltypen Gewebestammzellen sind multipotent Stammzell-Jargon Wissenschaftler benutzen die Wörter pluripotent und multipotent um Stammzellen leichter zu beschreiben. ALLE Stammzellen können sowohl sich selbst erneuern als auch differenzieren, ABER manche Stammzellen können mehr Arten von spezialisierten Zellen bilden als andere. Die Begriffe auf dieser Folie sind die wichtigsten, die man sich einprägen sollte. Es gibt außerdem Stammzellen, die folgende Eigenschaften haben: TOTIPOTENT: können in alle Arten von spezialisierten Zellen differenzieren PLUS in die Zellen, die nur während der Entwicklung des Embryos benötigt werden: Plazenta, Nabelbläschen, Nabelschnur. UNIPOTENT: können nur in einen bestimmten spezialisierten Zelltyp differenzieren. Spermatogoniale Stammzellen (zu finden im Hoden) sind z.B. unipotent, weil sie nur Spermien bilden können. Eine hilfreiche Seite, um andere Wörter und Ausdrücke aus dem Stammzellgebiet nachzuschlagen, ist der EuroStemCell online Glossar:

20 Klonen & Klonieren

21 Klonen & Klonieren Es gibt zwei SEHR unterschiedliche Arten des Klonens: Reproduktives Klonen Zur Herstellung von 2 identischen Individuen Sehr schwierig durchzuführen Illegal beim Menschen Molekulares Klonen (Klonieren) Zum Verstehen, welche Funktion ein bestimmtes Gen hat Routine in biologischen Labors gene 1 gene 2 Klonen & Klonieren Die meisten Leute denken beim Wort „klonen“ an den Vorgang, eine Kopie eines Individuums herzustellen – von einem Tier oder sogar einer Person. Dies nennt man reproduktives Klonen. Es sorgte für Schlagzeilen in den späten 90er Jahren, als „das Schaf Dolly“ geklont wurde. Sie war das erste Säugetier, das jemals geklont wurde. Tatsächlich ist diese Art des Klonens sehr schwierig durchzuführen und schon der Versuch, einen Menschen zu klonen, ist illegal. Es gibt noch eine andere Art des Klonens, die viele Biologen jeden Tag durchführen: molekulares Klonen, auch als Klonieren bezeichnet. Das ist eine Technik, die es Wissenschaftlern ermöglicht, herauszufinden, was bestimmte Gene machen und wie sie funktionieren. Die folgenden Folien erklären diese Vorgänge in detailllierter Form.

22 Entfernen des Zellkerns Entnahme des Zellkerns
Reproduktives Klonen Entfernen des Zellkerns und Verwendung der restlichen Zelle Eizelle Entnahme des Zellkerns (enthält die DNS) Körperzelle Klon Identisch zu dem Individuum, aus dem der Zellkern kommt Das Schaf Dolly Reproduktives Klonen Das Schaf Dolly war das erste Säugetier, das jemals geklont wurde. Um Dolly herzustellen, haben Wissenschaftler den Zellkern aus einer normalen Zelle eines Schafes entnommen. Dieser Kern wurde dann in eine Eizelle ohne Zellkern gepflanzt. Dadurch erhielten sie eine neue Zelle. Damit diese neue Zelle anfing, sich zu teilen und zu wachsen, gaben die Forscher ihr einen Elektroschock. Danach fing sie an, sich zu teilen und entwickelte sich in einen Embryo. Als dieser Embryo das Stadium der Blastozyste – einem frühen Embryonalstadium in der Form einer Kugel mit nur Zellen – erreicht hatte, wurde er in die Gebärmutter eines anderen Schafes implantiert, um sich zu einem Lamm weiterzuentwickeln und geboren zu werden. Das neue Schaf ist ein Klon des Schafes, von dem der Zellkern zu Anfang des Prozesses entnommen wurde. Beide Schafe haben die gleiche DNS. Nicht nur Schafe wurden geklont. Wissenschaftler haben mittlerweile viele verschiedene Tiere geklont, u.a. Mäuse, Katzen, Hunde, Frösche, Ziegen, Pferde, Schweine, Kaninchen und andere. Nichtsdestotrotz ist es ein schwieriger Prozess und funktioniert nicht immer. Einen Menschen auf diesem Weg zu klonen ist illegal.

23 Molekulares Klonen: Mechanismen
1) Entnahme der DNS aus dem Zellkern Zelle 1 Zelle 2 Gen 1 Gen 2 Gen 1 Gen 2 2) Herstellung eines neuen DNS-Stückes 3) Einfügen der neuen DNS in eine Testzelle und Anfertigung von Kopien Gen 1 Zellen teilen sich Tochterzellen haben gleiche DNS Gene 1 & 2 wurden geklont (kloniert) Gen 2 Einfügen der neuen DNS Molekulares Klonen (Klonieren): Mechanismen Molekulares Klonen, oder auch Klonieren, bezeichnet den Prozess, den Wissenschaftler benutzen um Kopien eines bestimmten Gens oder mehrerer Gene innerhalb einer Zelle herzustellen. Sie benutzen diese Technik um mehr darüber herauszufinden, was bestimmte Gene machen oder wie sie funktionieren. Molekulares Klonen ist heutzutage Routine in Labors und funktioniert wie folgt: 1)Entnahme der DNS aus einer Zelle. 2)Herausschneiden des Gens, an dem man interessiert ist (Gen 2 in diesem Beispiel) & einfügen des Gens in einen DNS-Strang aus einer anderen Zelle. Das Gen wird nicht wortwörtlich mittels Messer oder Schere herausgeschnitten, sondern mit sorgfältig ausgesuchten Enzymen, die die DNS an bestimmten Stellen aufbrechen. Weitere Enzyme werden benutzt, um das Gen in ein anderes DNS-Stück an genau der richtigen Stelle einzufügen (in diesem Beispiel neben Gen 1). 3)Sobald die DNS mit dem Gen, was untersucht werden soll, hergestellt ist, wird das neue DNS-Stück in eine Testzelle eingefügt. Bei der Zellteilung bildet diese Testzelle Kopien von sich selbst. Jede neue Tochterzelle enthält eine exakte Kopie von der DNS der Testzelle, also auch Gen 1 und 2. Die Gene wurden also kopiert – wir sagen, sie wurden kloniert (geklont). Dies ist eine vereinfachte Beschreibung der Technik. Es gibt ein paar Zwischenschritte und der genaue Ablauf kann variieren, diese Abbildung zeigt jedoch die Hauptmechanismen, d.h. wir sind in der Lage Zellen herzustellen, die bestimmte Gene enthalten, um herauszufinden, was diese Gene machen. Auf der nächsten Folie wird anhand einiger Beispiele gezeigt, wofür diese Technik benutzt werden kann.

24 Molekulares Klonen: Anwendungen
Funktionsverlust (“loss of function“) Reportergen Verfolgung der Abstammung von Zellen Hinzufügen eines Gens, das uns zeigt, ob ein anderes Gen aktiv ist Entfernen eines Gens um zu sehen, ob irgendetwas anders ist Markieren einer Gruppe von Zellen um zu sehen, wo die Tochterzellen sind Auge Normaler Mausembryo Gen A fehlt Molekulares Klonen (Klonieren): Anwendungen Molekulares Klonen (Klonieren) ist ein wichtiges Werkzeug, das Wissenschaftler benutzen, um mehr über die Rolle von Genen in der Entwicklungsgeschichte und in Krankheiten herauszufinden. Einige Beispiele für die Anwendung von molekularem Klonen im Labor sind: Funktionsverlust („loss of function“, oft „Gen-Knockout“ genannt): eine verbreitete Technik, die Wissenschaftlern sehr dabei geholfen hat, zu verstehen, welche Rolle bestimmte Gene in Krankheiten spielen. Die Forscher entfernen oder blockieren ein Gen, so dass es nicht mehr funktioniert, und beobachten dann, was passiert. Diese Technik war ein so großer Zugewinn für die Wissenschaft und Medizin, dass die Forscher, die sie entwickelt haben, im Jahr 2007 mit dem Nobelpreis für Medizin ausgezeichnet wurden. Reportergen: hierbei werden in der Regel Farben benutzt, die es Wissenschaftlern ermöglichen leicht zu erkennen, wenn ein bestimmtes Gen aktiv ist. Ein „Reportergen“ wird zur DNS einer Zelle hinzugefügt. Durch dieses Reportergen produziert die Zelle ein farbiges Protein – z.B. ein blaues Protein. Das Reportergen wird direkt neben das Gen, was eigentlich untersucht werden soll (Gen X), gesetzt. Immer wenn Gen X in einer Zelle aktiv (oder „angeschaltet“) ist, ist das Reportergen ebenfalls aktiv. Das bedeutet, dass die Zelle das blaue Protein herstellt und blau aussieht. Dadurch ist leicht zu erkennen, welche Zellen ein aktives Gen X enthalten, da diese Zellen blau sind. Verfolgung der Abstammung von Zellen („lineage tracing“): hierbei wird untersucht, was mit den Tochterzellen einer bestimmten Zelle und mit deren Tochterzellen usw. in einem sich entwickelnden Tier passiert. Zuerst werden einige Zellen mit einem Gen markiert, das z.B. ein Protein bildet das eine fluoreszierende grüne Farbe hat. Dadurch können Forscher leicht erkennen, ob dieses Gen aktiv ist, da die Zellen dann grün sind. Jedes Mal, wenn sich die Zellen teilen, erben die Tochterzellen das Gen für das grüne Protein und leuchten ebenfalls grün. Dies ermöglicht uns zu sehen, wann die markierten Zellen sich teilen und wo sie sich später im sich entwickelnden Tier befinden. Gen spielt eine Rolle bei Festlegung der Augenfarbe Gen ist nur in den blauen Bereichen aktiv Gen wird an Zellen überall Im Körper weitergegeben 24

25 Stammzellbiologie im Detail

26 Gewebestammzellen und Hierarchien
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27 Mechanismen der Gewebeerneuerung
Gewebestammzellen: Mechanismen der Gewebeerneuerung Spezialisierte Zellen: arbeiten keine Teilung Vorbestimmte Vorläufer: “sich vorübergehend rasch vermehrende Zellen” (“transient amplifying cells”) multipotent teilen sich sehr schnell keine Selbsterneuerung Stammzelle Stammzelle: Selbsterneuerung teilt sich wenig großes Potenzial selten Gewebestammzellen: Mechanismen der Gewebeerneuerung Die Folie zeigt die typische Hierarchie von Zellen auf dem Weg von Gewebestammzellen zu spezialisierten Zellen. Stammzellen produzieren vorbestimmte Vorläuferzellen (determinierte Vorläufer, „committed progenitors“). Diese sind noch nicht vollständig differenziert, haben aber andere Eigenschaften als Stammzellen – sie sind eine Zwischenstufe. Vorbestimmte Vorläuferzellen teilen sich mehrmals und bilden in einer Reihe von Abläufen vollständig differenzierte und funktionale Zellen. Diese typische Hierarchie trifft auf viele Arten von Gewebestammzellen zu (einige Beispiele zur Verdeutlichung dieses Prinzips sind auf den folgenden Folien zu finden).

28 Hämatopoetische Stammzellen (HSZ)
Gewebestammzellen: Hämatopoetische Stammzellen (HSZ) Neutrophile NK-Zelle Erythrozyten Dendritische Zelle Plättchen Megakaryozyt Makrophage Eosinophile Basophile B-Zelle T-Zelle Spezialisierte Zellen Vorbestimmte Vorläufer HSZ Knochenmark Gewebestammzellen: Hämatopoetische Stammzellen (HSZ) HSZ = Blutstammzellen HSZ gewinnt man aus dem Knochenmark. Sie bilden vorbestimmte (determinierte) Vorläuferzellen, welche wiederum alle spezialisierten Zelltypen des Blutes herstellen.

29 Neurale Stammzellen (NSZ)
Gewebestammzellen: Neurale Stammzellen (NSZ) Nervenzellen Interneurone Oligodendrozyten Typ 2 Astrozyten Typ 1 Astrozyten Vorbestimmte Vorläufer NSZ Gewebestammzellen: Neurale Stammzellen (NSZ) NSZ werden aus bestimmten Regionen des Gehirns gewonnen. Sie bilden vorbestimmte (determinierte) Vorläuferzellen, welche wiederum alle spezialisierten Zelltypen des Gehirns herstellen. Gehirn Spezialisierte Zellen

30 Darmstammzellen (DSZ)
Gewebestammzellen: Darmstammzellen (DSZ) Paneth-Zellen Enterozyten (Saumzellen) Becherzellen Endokrine Zellen Spezialisierte Zellen Vorbestimmte Vorläufer DSZ Gewebestammzellen: Darmstammzellen (DSZ) DSZ = Darmstammzellen DSZ findet man im Dünndarm. Sie bilden vorbestimmte (determinierte) Vorläuferzellen, welche wiederum alle spezialisierten Zelltypen des Darms herstellen. Dünndarm

31 Mesenchymale Stammzellen (MSZ)
Gewebestammzellen: Mesenchymale Stammzellen (MSZ) Knochen (Osteoblasten) Knorpel (Chondrozyten) Fett (Adipozyten) Spezialisierte Zellen Vorbestimmte Vorläufer MSZ Knochenmark Gewebestammzellen: Mesenchymale Stammzellen (MSZ) MSZ werden aus dem Knochenmark gewonnen. Sie bilden vorbestimmte (determinierte) Vorläuferzellen, welche wiederum alle spezialisierten mesenchymalen Zelltypen (Bindegewebe: Knochen, Knorpel, Fett) herstellen.

32 Das zu Hause der Stammzellen:
Die Stammzellnische 32

33 Stammzellnischen Nische Stammzelle
Mikroumgebung von Stammzellen, die den Erhalt der Zellen ermöglicht und Signale aussendet, die Selbsterneuerung und Differenzierung steuern Stammzelle Nische Direkter Kontakt Gelöste Faktoren Intermediär-Zelle Stammzellnischen Die Stammzellnische ist eines der Hauptkonzepte in der Stammzellbiologie. Das Verständnis der Mikroumgebung (d.h. unmittelbare Umgebung) von Stammzellen ist wichtig, um Stammzellen selbst zu verstehen. Die Mikroumgebung reguliert das Verhalten von Stammzellen und kann uns somit lehren, wie wir Stammzellen in Kultur kontrollieren können. Die Nische kann auf verschiedene Arten auf Stammzellen wirken: Direkter Kontakt der Stammzelle mit den Zellen der Nische Gelöste Faktoren, abgegeben von der Nische, die sich zur Stammzelle hin bewegen Intermediär-Zellen, die zwischen der Nische und der Stammzelle “vermitteln” bzw. “kommunizieren” Wissenschaftler versuchen immer noch zu verstehen, wie genau diese Nischen funktionieren. Über die Nischen mancher Arten von Stammzellen ist mehr bekannt als über die Nischen anderer.

34 Quellen Bildquellen Vielen Dank an die folgenden Personen für die Erlaubnis, ihre Abbildungen zu verwenden: Folie 17, iPS-Zellen: Keisuke Kaji, Universität Edinburgh, Großbritannien Folie 27, Blutzellen-Abbildung: Jonas Larsson, Lund Universität, Schweden Folie 29, Darmzellen-Abbildung: Hans Clevers und Nick Barker, Hubrecht Institut, Niederlande Sollten Sie beabsichtigen, die oben genannten Abbildungen außerhalb dieser Präsentation zu benutzen, kontaktieren Sie bitte den Besitzer. Alle anderen Abbildungen können ohne Einschränkungen weiterbenutzt werden. Danksagung Unserer besonderer Dank gilt Dr. Christele Gonneau für die Entwicklung dieser Präsentation und ihre unermüdliche Bereitschaft, zu gewährleisten, dass die Notizen korrekt sind. Danke auch an Freddy Radtke vom EPFL in der Schweiz, dessen Folie wir kopiert haben um Folie 27 über Gewebestammzellen zu erstellen.