NANOG

Ein Forschungsteam hat erstmals direkt am menschlichen Embryo nachgewiesen, welches Gen die Körperentwicklung in Gang setzt. Das „NANOG“ genannte Gen besser zu verstehen könnte künftig die Behandlung etlicher Krankheiten und auch die Erfolgsraten bei künstlichen Befruchtungen verbessern.

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NANOG ist benannt nach Tír na nÓg, dem keltischen Land der ewigen Jugend – und tatsächlich ist das Gen in genau jenen Stammzellen aktiv, die sich gewissermaßen in einem ewigen Jugendzustand befinden: Im Labor können sie sich unbegrenzt teilen und behalten dabei ihre Fähigkeit, zu jedem beliebigen Zelltyp des menschlichen Körpers zu werden. In der Fachsprache nennt man diese Eigenschaft Pluripotenz.

Dass NANOG eine wichtige Rolle in der frühen Embryonalentwicklung spielt, war aus Jahrzehnten von Tierversuchen, vor allem an Mäusen, bereits bekannt. Was bisher fehlte, war der direkte Nachweis am menschlichen Embryo. Genau das hat nun ein Team um die Entwicklungsbiologin Kathy Niakan von der Universität Cambridge geschafft. Das Ergebnis präsentierten die Forscherinnen und Forscher vor Kurzem in einer Studie im Fachjournal „Nature“.

Startschalter der menschlichen Entwicklung

Im Mittelpunkt der Studie stand ein sehr frühes Stadium der Embryonalentwicklung: der sogenannte Blastozyst – eine kleine Zellkugel, die sich etwa sieben Tage nach der Befruchtung bildet. Sie besteht aus rund 200 Zellen. Zu diesem Zeitpunkt ist noch keinerlei Anatomie erkennbar, kein Gehirn, kein Herz, keine Gliedmaßen. Doch bereits jetzt sind drei grundlegend verschiedene Zelltypen vorhanden: Vorläuferzellen der Plazenta, des Dottersacks – und die sogenannten Epiblast-Vorläuferzellen.

Letztere sind für die spätere Entwicklung eines menschlichen Körpers besonders wichtig: „Die Epiblast-Vorläuferzellen sind eine Untergruppe von etwa zwanzig Zellen, aus denen letztlich der eigentliche Embryo und später auch der Fötus entstehen“, erklärte Niakan bei einer Präsentation der Studie. Die rund zwanzig Zellen sind also der Ausgangspunkt für alles, was später der menschliche Körper wird. Der Kernbefund der Studie: Genau diese Zellen fehlen, wenn NANOG im Embryo ausgeschaltet wird.

Der molekulare Radiergummi

Um das nachzuweisen, nutzten die Forschenden eine Weiterentwicklung der bekannten Genschere CRISPR: das sogenannte Base Editing. Während klassisches CRISPR die DNA an einer bestimmten Stelle durchschneidet – was zu unerwünschten Fehlern führen kann – funktioniert Base Editing wie eine Art molekularer Radiergummi: Es verändert gezielt einen einzigen chemischen Buchstaben im Erbgut, ohne den DNA-Strang zu durchtrennen.

„Wir haben Base Editing genutzt, weil es die Wahrscheinlichkeit unbeabsichtigter chromosomaler Abnormalitäten reduziert“, so Niakan. Den molekularen Radiergummi injizierte das Forschungsteam gemeinsam mit den Spermien direkt in die Eizelle – noch vor der Befruchtung. So war NANOG dort bereits von Beginn der Embryonalentwicklung an ausgeschaltet.

Täuschend normale Embryonen

Besonders aufschlussreich: Die NANOG-deaktivierten Embryonen sahen unter dem Mikroskop völlig normal aus. Das hat laut Niakan auch unmittelbare Konsequenzen für die Reproduktionsmedizin – denn genau auf dieses äußere Erscheinungsbild verlässt man sich derzeit bei der Auswahl von Embryonen für künstliche Befruchtungen.

„Zurzeit wird ein Embryo für künstliche Befruchtungen hauptsächlich aufgrund seiner äußeren Form ausgewählt. Es gibt keine molekularen Kriterien. Man kann aber vom Aussehen allein nicht ablesen, ob sich der Embryo tatsächlich einnisten und dann auch gut entwickeln wird", so die Entwicklungsbiologin. „In einem von zwei Fällen sieht der Embryo gut aus – hat aber trotzdem keine Chance auf eine erfolgreiche Schwangerschaft.“

Befruchtung nur selten erfolgreich

Die allgemeinen Zahlen aus IVF-Kliniken (In-vitro-Fertilisation) weltweit sind ernüchternd: Denn mehr als die Hälfte aller befruchteten Eizellen erreicht nicht einmal das Blastozysten-Stadium. Weitere zwanzig Prozent entwickeln sich zwar zur Blastozyste, nisten sich aber nicht in der Gebärmutter ein. Insgesamt entwickelt sich so nur etwa eine von zehn befruchteten Eizellen über die ersten drei Monate hinaus.

Genau hier könnte das Wissen über NANOG künftig ansetzen: etwa indem molekulare Marker entwickelt werden, die Aufschluss über die tatsächliche Entwicklungsfähigkeit eines Embryos geben – oder indem Wachstumsfaktoren, die NANOG reguliert, gezielt zugesetzt werden, um die Entwicklung zu unterstützen.

Wichtig für Stammzellforschung

Neben der Reproduktionsmedizin hat die Entdeckung auch eine weitreichende Bedeutung für die Stammzellforschung. Denn embryonale Stammzellen werden aus genau jenen Epiblast-Vorläuferzellen gewonnen, die es ohne NANOG nicht geben würde. Ihre Entstehung besser zu verstehen, könnte daher auch die Grundlage für neue Therapien schaffen.

„Diese frühen Stadien der menschlichen Entwicklung sind von grundlegender Bedeutung für die Stammzellbiologie", erklärte Niakan. „Ein besseres Verständnis wird der Stammzellforschung und der regenerativen Medizin helfen." Als Beispiel nannte die Entwicklungsbiologin laufende klinische Studien, in denen aus embryonalen Stammzellen gewonnene Nervenzellen bei Parkinson-Patientinnen und -Patienten eingesetzt werden.

Klinischer Einsatz noch weit entfernt

Trotz der vielversprechenden Erkenntnisse betonen aber alle Beteiligten: An einen klinischen Einsatz – etwa zur gezielten Korrektur von Erbkrankheiten in Embryonen – ist derzeit noch nicht zu denken. Denn ein wesentliches technisches Problem zeigte sich auch im Rahmen der Untersuchungen: Bei knapp 50 Prozent der bearbeiteten Embryonen wurden nicht alle Zellen gleichmäßig editiert. Das bedeutet, dass ein daraus entstehender Mensch in manchen Zellen die Veränderung tragen würde, in anderen nicht – was den Zweck einer Krankheitskorrektur zunichtemachen könnte.

„Die Botschaft ist klar: Die Technologie ist dafür noch nicht bereit. Es mag Fälle geben, wo das irgendwann sinnvoll wäre – aber noch nicht jetzt“, erklärte auch Mary Herbert, Professorin für Reproduktionsbiologie an der Monash University in Melbourne und ebenfalls Teil des Forschungsteams. Niakan selbst ergänzte: „Es wäre im Moment wirklich unethisch, diese Technologie in der Klinik einzusetzen.“