Lerntext Stammzellen und Differenzierung

Roland Heynkes, 12.3.2019

Diese Internetseite soll erklären, wie die Regulation von Stammzellen und die Differenzierung ihrer Tochterzellen funktionieren.

Gliederung

zum Text Hierarchie der Stammzellen
zum Text Regulierung der Stammzellen
zum Text Stammzellen differenzieren zu spezialisierten Zellen

Hierarchie der Stammzellen nach oben

Bei fast allen Vielzellern können sich die weitaus meisten Zellen nicht mehr beliebig oft teilen. Praktisch uneingeschränkt teilungsfähig sind nur die sogenannten Stammzellen. Aber Stammzellen sind nicht alle gleich, sondern es gibt unter ihnen eine Hierarchie.

Entstehung einer Zygote durch Befruchtung einer Eizelle nach oben
Zygote
Geo-Science-International, CC BY-SA 4.0
Sobald ein Spermium die aus vielen kleinen Zellen bestehende Hülle einer Eizelle durchdrungen hat, bildet sich eine feste Hülle (Glashaut oder Zona pellucida) um die Eizelle. Sie verhindert das tödliche Eindringen weiterer Spermien. Die befruchtete Eizelle ist eine totipotente Superstammzelle, deren Tochterzellen alle Zellen eines Embryos, der Nabelschnur und der Plazenta bilden können.

Totipotent oder omnipotent (allmächtig) nennt man Stammzellen, die noch das Potential haben, alle Zelltypen des Körpers zu bilden. Man findet sie in frühen Embryonen, wo aus ihnen bzw. ihren Tochterzellen noch alle embryonalen und extraembryonalen Gewebe entstehen.

die Morula nach oben
die Morula
anonym, Public domain
Die Zygote teilt sich und ihre Tochterzellen teilen sich ebenfalls, ohne zwischen den Zellteilungen zu wachsen. Dadurch werden die Zellen immer kleiner und der gesamte Embryo passt weiterhin in die Glashaut (Zona pellucida). Solange die Tochterzellen innerhalb der Glashaut einen massiven Zellhaufen bilden, nennt man diesen Morula. Die Zellen der Morula sind noch totipotent. Wenn ein menschlicher Embryo in der Gebärmutter ankommt, platzt die Glashaut auf und der Embryo nistet sich in der Gebärmutter-Schleimhaut ein. Dann entsteht im Inneren des Embryos ein Hohlraum. In diesem Stadium bezeichnet man den Embryo als Blastula.

Pluripotent (fast alles könnend) ist weniger als omnipotent oder totipotent (alles könnend), aber mehr als multipotent (verschiedenes könnend). Pluripotente Stammzellen können sich zu Zellen der drei Keimblätter (Ektoderm, Entoderm, Mesoderm) und der Keimbahn eines Organismus entwickeln. Sie können zu jedem Zelltyp eines Organismus differenzieren, weil sie noch nicht auf bestimmte Gewebetypen festgelegt sind. Im Gegensatz zu totipotenten Stammzellen können sie aber keinen gesamten Organismus bilden, da pluripotente Zellen keine extraembryonalen Gewebe mehr bilden können.

Gastrula und Gastrulation nach oben
Gastrulation
anonym, Public domain
Die Gastrulation erzeugt im frühen Embryo eine innere und eine äußere Schicht und damit Unterschiede zwischen den Umgebungen der Zellen. Das führt zu einer ersten Differenzierung und dem Verlust der Totipotenz.

Multipotent nennt man Stammzellen, die zwar nicht mehr alle Zellen eines Körpers, aber immerhin noch mehrere Zelltypen bilden können.

Unipotent heißen Stammzellen, deren Tochterzellen nur noch einen einzigen Zelltyp bilden können.

Allen Stammzellen gemeinsam ist aber die Fähigkeit, Stammzellen bleiben zu können. Das bedeutet, dass sie nicht altern und differenzieren, sich also im Gegensatz zu normalen Körperzellen nicht auf Kosten ihrer unbegrenzten Teilungsfähigkeit auf eine bestimmte Aufgabe spezialisieren müssen.

Regulierung der Stammzellen nach oben

Hinsichtlich ihrer Teilungsfähigkeit ähneln Stammzellen den Krebszellen. Unbegrenzte Teilungsfähigkeit ist eine gefährliche Eigenschaft, die streng kontrolliert werden muss, damit keine Tumore entstehen. Anders als Krebszellen bleiben deshalb Stammzellen nur unverändert, solange sie in speziellen Nischen eine besondere Unterstützung erhalten. Darin vermehren sich Stammzellen durch Zellteilung, aber nur jede zweite Tochterzelle kann die Stammzelle bleiben, die sie vor der Zellteilung war. Weil für jede Art von Stammzelle die Zahl und die Größe dieser Nischen begrenzt ist, kann auch die Zahl der Stammzellen nicht zunehmen. Einer von zwei Tochterzellen Tochterzelle droht der Verlust der Unsterblichkeit, wenn sie keinen Platz in einer anderen Nische findet. Tochterzellen ohne Nische dürfen sich nicht mehr unendlich oft teilen und beginnen zu altern.

Stammzell-Animation Definition der Nischen Diese kleine Animation soll verdeutlichen, warum die Zahl der Stammzellen konstant bleibt. Start

Dieser aufgrund seiner Einfachheit wenig fehleranfällig Mechanismus reduziert unser Risiko, an Krebs zu erkranken. Denn Unsterblichkeit und unbegrenzte Teilungsfähigkeit sind Eigenschaften, die bereits denen der Zellen noch gutartiger Tumore entsprechen.

Krebsentstehung

Zwischen den weiteren Zellteilungen entscheiden sich die ehemaligen Stammzellen ohne Nische mehrfach zwischen alternativen Entwicklungsmöglichkeiten. Diese Art von Entscheidung nennt man Determination. Danach spezialisieren sich diese Tochterzellen mehr und mehr auf eine bestimmte Aufgabe. Diese Spezialisierung heißt Differenzierung. So entstehen beispielsweise aus einer Blutstammzelle eine neue Blutstammzelle in ihrer Nische und viele differenzierte Blutzellen.

Stammzellen differenzieren zu spezialisierten Zellen. nach oben

Tiere und Pflanzen besitzen verschiedene Organe wie Wurzeln, Blätter und Blüten. Jedes Organ besteht aus mehreren Geweben, die ihrerseits aus vielen sehr ähnlichen Zellen bestehen. Die Unterschiedlichkeit der Zellen verschiedener Gewebe beruht darauf, dass in ihnen unterschiedliche Gene transkribiert und translatiert werden. Diese Unterschiedlichkeit entwickelt sich langsam über mehrere Zellzyklen hinweg und wird Differenzierung genannt.

Im Grunde beginnt die Differenzierung mit der Zygote und deren ersten Tochterzellen, aus denen sich noch alle anderen Zellen eines vielzelligen Lebewesens entwickeln können und die deshalb totipotente Stammzellen genannt werden. Bei fast allen Tieren verlieren alle, bei Pflanzen nur fast alle Nachkommen der Zygote diese Totipotenz. Sie differenzieren zunächst zu pluripotenten, dann zu multipotenten und schließlich zu monopotenten Stammzellen, deren Tochterzellen zu nur noch einem Zelltyp differenzieren können. Verlässt eine Stammzelle ihre Nische, muss sie sich nach kurzer Zeit für eine von oft mehreren möglichen Differenzierungen entscheiden. Diese Entscheidung nennt man Determination. Der Determination folgt die Differenzierung, die schließlich zu mehreren spezialisierten, aber nicht mehr teilungsfähigen Zellen führt.

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Roland Heynkes, CC BY-SA-3.0 DE

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