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Auch Blutstammzellen erinnern sich

Blutstammzellen erinnern sich an frühere Angriffe und produzieren mehr Abwehrzellen wie diese Makrophagen, um eine neue Infektion zu bekämpfen. (Bild: Sieweke lab/CIML)

Unser Immunsystem hat bekanntermaßen ein Gedächtnis: Ist unser Körper einmal mit einem bestimmten Erreger in Kontakt gekommen, kann er sich im Falle einer zweiten Infektion schneller und besser wehren. Wie Forscher nun berichten, sind an dieser Erinnerungsfunktion überraschenderweise auch die Blutstammzellen beteiligt. Demnach lösen Infektionen epigenetische Veränderungen an der DNA dieser Zellen aus, die unter anderem für die Produktion bestimmter Abwehrzellen zuständig sind. Die Folge: Bei einer erneuten Infektion reagieren die Blutstammzellen rascher und effizienter.

Das Knochenmark ist für uns überlebenswichtig. In ihm werden tagtäglich neue Blutzellen gebildet – beispielsweise rote Blutkörperchen, aber auch bestimmte Abwehrzellen des Immunsystems. Dies ist nötig, weil viele Blutzellen nur eine geringe Lebensdauer haben und daher ständig ersetzt werden müssen. Verantwortlich für diesen Nachschub sind die sogenannten hämatopoetischen Stammzellen, oft schlicht als Blutstammzellen bezeichnet. Weil sich diese Zellen unter anderem in Immunzellen differenzieren können, spielen sie eine bedeutende Rolle für die Bekämpfung von Infektionen und anderen Krankheiten. Dabei gehen die Blutstammzellen offenbar gezielter und effizienter vor als lange Zeit gedacht. Denn sie können sich sogar an frühere Infektionen erinnern, wie Forscher um Bérengère de Laval von der Universität Aix Marseille nun herausgefunden haben.

Diese Art von Immungedächtnis war früher nur von den bereits spezialisierten Tochterzellen der Blutstammzellen bekannt. Die blutbildenden Stammzellen selbst galten dagegen als „blind“ für externe Signale wie Infektionsanzeichen. In letzter Zeit zeichnete sich jedoch bereits ab, dass diese Annahme falsch ist – auch die Stammzellen schienen empfindlich auf Signale von außen zu reagieren. Was genau dies zum Beispiel für die Reaktion auf wiederholte Infektionsschübe bedeutet, blieb aber unklar. Um dies zu ändern, haben die Wissenschaftler Experimente mit hämatopoetischen Stammzellen im Labor durchgeführt. Für ihre Studie setzten sie die Blutstammzellen einem bakteriellen Molekül namens LPS aus und imitierten dadurch eine Infektion. Was würde passieren?

Lesezeichen auf der DNA

Die Ergebnisse zeigten: Dank dieser Vorerfahrung reagierten die Blutstammzellen auf eine erneute Infektion anders und produzierten unter anderem mehr Immunzellen wie die auch als „Fresszellen“ bekannten Makrophagen. „Die Blutstammzellen können dann eine schnellere und effizientere Immunantwort auslösen“, berichtet de Lavals Kollegin Sandrine Sarrazin. Demnach besitzen auch die Stammzellen im Knochenmark eine Art Immungedächtnis. In Tests trug dies unter anderem dazu bei, dass die Abwehrreaktion dieser Zellen auf das Bakterium Pseudomonas aeruginosa effektiver wurde.
Wie aber kommt es zu dem Gedächtnis-Effekt? Weitere Untersuchungen offenbarten, dass die erste Konfrontation mit LPS zu epigenetischen Veränderungen bei den Blutstammzellen führte: „Es lagern sich Markierungen auf der DNA der Stammzellen ab, und zwar genau um die Gene herum, die für eine Immunantwort wichtig sind“, sagt Mitautor Michael Sieweke von der Technischen Universität Dresden.

Wie der Forscher erklärt, fungieren diese Markierungen wie eine Art Lesezeichen: „Sie sorgen dafür, dass diese Gene leichter zu finden sind und im Falle einer zweiten Infektion durch einen ähnlichen Erreger schnell für eine Immunantwort aktiviert werden können.“ Doch wie werden diese „Lesezeichen“ in das Erbgut eingebrannt? De Lavals Team stellte fest, dass dafür ein bestimmtes Protein eine zentrale Rolle spielt. C/EBP reguliert als Transkriptionsfaktor die Genexpression und legt offenbar auch fest, wo die „Lesezeichen“ auf der DNA gesetzt werden. „Über diesen Mechanismus kann die Infektionsgeschichte epigenetisch in die hämatopoetischen Stammzellen eingeschrieben werden“, konstatieren die Wissenschaftler. Damit stelle der nun entdeckte Prozess eine wesentliche Gedächtnisfunktion des angeborenen Immunsystems dar.

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Neue Ansätze für Impfungen und Co

Das überraschend gute Gedächtnis der Blutstammzellen für ansteckende Begegnungen könnte in Zukunft zu neuen Ansätzen für die Behandlung von Störungen des Immunsystems sowie für Impfstrategien führen. „Die Fähigkeit unseres Immunsystems, frühere Infektionen zu verfolgen und beim zweiten Auftreten effizienter zu reagieren, ist das Grundprinzip von Impfstoffen. Mit unserem neuen Verständnis, wie Blutstammzellen Informationen speichern, ergeben sich neue Immunisierungsstrategien, um den Schutz vor Infektionserregern zu verstärken. Ganz grundsätzlich sollten unsere Erkenntnisse neue Wege aufzeigen, das Immunsystem zu stärken, wenn es zu schwach ist, oder zu bremsen, wenn es überreagiert“, schließt Sieweke.

Quelle: Bérengère de Laval (Universität Aix Marseille) et al., Cell Stem Cell, doi: 10.1016/j.stem.2020.01.017

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