Ein Münsteraner Molekularbiologe hegt und pflegt Plattwürmer. Denn die haben dem Menschen manches voraus: Sie sind unsterblich und bleiben ewig jung. Und sie können sich ohne Sex vermehren.
LUCA GENTILE RÜCKT das kleine Tier in die Mitte des Glasträgers. Es sieht unspektakulär aus: daumennagelgroß, braun und schneckenförmig. Umso mehr überrascht der Anblick unter dem Mikroskop: Kleine schwarze Augen sitzen am Kopf, der sich deutlich aus dem platten Leib wölbt. Bei der Vorwärtsbewegung spitzt sich der Kopf zu und flacht sich dann wieder ab.
Verzückte Ausrufe bekommt Luca Gentile zu hören, wenn er einen Besucher durch das Okular schauen lässt. Ihn selbst beeindruckt der Anblick von Schmidtea mediterranea – das ist der Name dieser Plattwurm-Art – längst nicht mehr. Seit zwei Jahren leitet der Molekularbiologe am Max-Planck-Institut für Molekulare Biomedizin in Münster die Plattwurmforschung. Die Tierchen, auch Planarien genannt, sind für ihn spannende Forschungsobjekte. Davon konnte er 2007 auch Institutsdirektor und Stammzellforscher Hans Schöler überzeugen: „Es sind die einzigen Tiere, in denen wir pluripotente Stammzellen im Erwachsenenstadium erforschen können” , erklärt Gentile. Zellen, aus denen noch so gut wie alles werden kann – Herz, Hirn oder Haut –, kennt man sonst nur von Embryonen. Die besondere Gabe des Plattwurms bringt allerlei Absonderlichkeiten mit sich.
ZERREN, BIS DER LEIB SICH TEILT
Plattwürmer können sich im Unterschied zu allen anderen Tieren nicht nur geschlechtlich, sondern auch ungeschlechtlich vermehren. Dazu heftet die Planarie den Schwanz fest an den Boden und zerrt mit dem Oberkörper so lange, bis der Leib entzweigeht. Aus den beiden Stümpfen wächst dann in nur zwei Wochen je ein neuer Plattwurm heran. Kopf, Gehirn, Augen, Keimzellen, Schlund und Schwanz – alle Organe regenerieren sich vollständig.
Die asexuelle Vermehrung können die Forscher im Labor auf die Spitze treiben. Als der amerikanische Biologe Thomas Hunt Morgan Anfang des 20. Jahrhunderts einen Plattwurm in exakt 279 Scheibchen schnitt, sprossen kurz darauf 279 vollständige Klone. Aus nur rund 10 000 Zellen entsprang jeweils ein komplettes neues Wurmleben. Möglich machen das pluripotente Stammzellen, sogenannte Neoblasten, die mit mehr als 25 Prozent einen enorm hohen Anteil an den Zellen des Planarienleibs haben. Sie können sich zu jeder Art von Gewebe entwickeln.
Kein anderes Lebewesen ist in der Lage, sich derart rundum zu erneuern. Zwar können Molchen neue Beine, Echsen neue Schwänze und Hummern frische Scheren wachsen. Aber diese Regenerationsfähigkeit ist bescheiden, verglichen mit der von Plattwürmern. Die Planarien sind die unangefochtenen Meister der Selbstheilung.
Davon zeugt auch ein anderes Kuriosum: Die Tiere können mühelos ein Vierteljahr hungern. Dabei schrumpfen sie auf die Größe, die sie nach dem Schlüpfen aus dem Ei hatten. Sobald die Hungersnot beendet ist, futtern sich die Plattwürmer wieder ihre volle Statur an. Nach der Fastenkur sind ihre Zellen drastisch verjüngt. Normalerweise zeigen Enden an den Chromosomen, die Telomere, das Alter einer Zelle an. Im Laufe der Zeit verkürzen sie sich konsequent. Nur bei Planarien nicht: Die Tiere verfügen offenbar über Mechanismen, dem Zahn der Zeit spurlos zu entkommen. Mit dem Alter häufen sich beim Menschen gewöhnlich Mutationen im Erbgut, weshalb auch die Krebsgefahr wächst. Nicht so beim Plattwurm. Luca Gentile und sein Team haben spezielle Steuerelemente gefunden, sogenannte piRNAs, die den Tieren wahrscheinlich dabei helfen, das Erbgut vor Schäden zu bewahren. piRNAs legen – zumindest in Mäusen und Fliegen – springende Gene lahm, die Mutationen begünstigen (siehe bild der wissenschaft 9/2009, „Das große Springen”). Gleich acht Millionen der Erbgutkontrolleure machte Luca Gentile im Plattwurm ausfindig, wie er 2009 im Fachblatt PNAS schrieb.
GENETISCH DEM MENSCHEN ÄHNLICH
„Diese Tiere sind unsterblich. Durch Teilung können sie sich immerfort vermehren”, fasst Emili Saló von der Universität Barcelona zusammen. Saló genießt gegenwärtig den Ruf des führenden europäischen Plattwurmforschers. Die ewige Verjüngung, gepaart mit den enormen Selbstheilungskräften, macht die Tiere für Wissenschaftler äußerst interessant. Kein anderer Modellorganismus, ob Maus oder Fruchtfliege, kann hier mithalten. Hinzu kommt, dass der Plattwurm – anders als sein Aussehen vermuten lässt – dem Menschen genetisch recht ähnlich ist. Viele Gene, die die Stammzellen und die Selbstheilung steuern, gleichen einander. Wer des Plattwurms Lebenskünste versteht, kann deshalb womöglich die Medizin verändern.
Vielleicht lassen sich eines Tages Ersatzherzen oder Ersatzgliedmaßen aus menschlichen Stammzellen züchten. Bauchspeicheldrüsen für Diabetiker, frisches Hirngewebe für Unfallopfer oder Beine für Amputierte kämen dann aus der Retorte. Vielleicht kann man mit der Planarienstrategie auch Altersschäden am Erbgut korrigieren – und damit Krebs vermeiden. Wird der Mensch im Wurm sogar den Schlüssel zur Unsterblichkeit finden? Dass solche Durchbrüche zwar visionär, aber nicht völlig undenkbar sind, beflügelt die Forscher.
GENE EINZELN AUSGEKNIPST
Weltweit schauen sich mittlerweile einige Hundert Molekularbiologen und Genetiker die Planarien ganz genau an. Während Morgan die Tiere nur unter dem Mikroskop untersuchen konnte, ermöglichen moderne Methoden der Genetik gänzlich neue Einblicke. Mit der RNA-Interferenz können Gene einzeln ausgeschaltet werden, um ihre Funktion zu studieren. Jedes Gen wird in der Zelle zunächst in ein Botenmolekül, die Boten-RNA, übersetzt. Dieser Bote sorgt dann für die Produktion des Proteins nach dem Bauplan des Gens. Bei der RNA-Interferenz werden kleine RNA-Moleküle in die Zelle eingeschleust, die den Boten an seiner Arbeit hindern. So werden Gene indirekt deaktiviert.
Luca Gentiles Team nutzt die Methode, um herauszufinden, wie der Plattwurm es fertigbringt, sich rundum zu erneuern. An der Selbstheilung sind Hunderte Gene beteiligt, was die Antwort nicht leichter macht. 2010 glückte Gentile aber ein wichtiger Durchbruch. Er entdeckte eine Art Generalschalter für die Selbstheilung. Als er das Gen smed-SmB blockierte, wuchsen den amputierten Plattwürmern die fehlenden Körperpartien nicht mehr nach.
Allerdings blieben die unverstümmelten Tiere mit dem künstlichen Gen-Defekt auch nur zwei bis drei Wochen am Leben. Der Tod, den sie sonst nicht kennen, hielt Einzug in ihr Leben. Die Planarien konnten den Verschleiß an Zellen infolge der Alterung nicht mehr mit Nachschub an frischen Zellen ausgleichen, wie Gentile und Schöler im April 2010 in der Zeitschrift Development schilderten.
Einmal geteilt, geht beim Plattwurm alles rasend schnell. In nur einer Stunde wird die Wunde mit Epidermis überzogen. Darunter sammeln sich die Neoblasten zu einem Haufen. Diese Zusammenballung wird „Blastem” genannt. Schon nach einem Tag weiß jede Zelle im Blastem, welche Funktion ihr künftig zukommen wird – ob als Haut-, Muskel- oder Hirnbaustein. Innerhalb von zehn Tagen hat sich der Plattwurm-Teil vollständig komplettiert.
Nur: Woher weiß der Wurm, wo ihm der neue Kopf stehen soll? Lange kamen die Forscher bei dieser Frage nicht weiter. Vor vier Jahren platzte dann der Knoten – wiederum dank Experimenten mit RNA-Interferenz. Vor allem die Forschergruppe um Emili Saló, aber auch andere Plattwurmforscher deckten auf, dass wnt-Gene und das Botenmolekül beta-Catenin dem Tier vermitteln, wo oben und wo unten ist. Wird eines der beiden maßgeblichen Gene wntP-1 oder wnt11-2 ausgeschaltet, sprießen den amputierten Tieren mitunter zwei Köpfe und kein Schwanz. Wird das beta-Catenin-Gen deaktiviert, wachsen gar kreisrunde, mehrköpfige Plattwürmer heran. Mittlerweile ist bekannt: Die wnt-Gene und beta-Catenin sind auch bei Nesseltieren wie Quallen und Stachelhäutern wie Seeigeln dafür verantwortlich, dass Kopf und Rumpf in der Entwicklung ihren korrekten Platz auf der Längsachse einnehmen.
JEDEM RÜCKEN SEIN BAUCH
Doch der Plattwurm regeneriert sich nicht nur entlang der Längsachse immer gleich, sondern auch entlang der Querachse. Zu einem Rücken wächst ein Bauch mit Darm und Mund. Diese Vorne-hinten-Orientierung wird von BMP-Genen gesteuert und aufrechterhalten, entdeckten Saló und Alejandro Sánchez Alvarado an der University of Utah in Salt Lake City unabhängig voneinander.
Wenn einzelne dieser Gene ausgeschaltet werden, wachsen nach der Teilung mitunter Tiere mit zwei Bäuchen, zwei Rücken oder vertauschten Fronten heran. Im Extremfall wurde die Querachse vom Rücken zum Bauch sogar verdoppelt, sodass ein siamesischer Zwillingswurm entstand. BMP-Gene steuern die Vorder- und Rückseiten-Orientierung bei der Entwicklung der Taufliege genau wie bei der von Wirbeltieren, betont Saló.
Legendär ist des Plattwurms Hirn, das zeitlebens nachwächst. Für Kiyokazu Agata, Biophysiker an der Universität im japanischen Kyoto, ist es unstrittig das interessanteste Organ des Tieres. Denn zwischen dem Gehirn der Planarien und der Denkzentrale des Menschen bestehen verblüffende Parallelen: Auch das tierische Pendant ist in verschiedene Regionen untergliedert. Beispielsweise verfügen Plattwürmer ebenfalls über ein Sehzentrum. Neurotransmitter wie das Glückshormon Serotonin und das Aufmerksamkeitshormon Dopamin fand man im Plattwurmköpfchen ebenso wie im humanen Oberstübchen.
Aufsehenerregend ist, dass es laut Agata im Plattwurm nur ein einziges Gen gibt, das dem Gehirn seinen Platz im Körper zuweist. Er gab ihm den japanischen Namen „nou-darake”, zu Deutsch: „ Gehirn überall”. Denn wenn Agata nou-darake mittels RNA-Interferenz lahmgelegt hatte, spross den amputierten Plattwürmern bei der Regeneration im gesamten Leib Gehirn. Nou-darake wird im Normalfall nur in Zellen vom Rumpf aktiv und verhindert dort die Bildung von Gehirn. „Das Gehirn könnte also eine Art Unfall der Stammzellentwicklung sein”, wirft Agata eine kühne Hypothese in den Raum. Werden die Stammzellen nicht im Zaum gehalten, verwandeln sie sich in Neuronen und vernetzen sich zu einer Denkzentrale. Seine Kenntnisse aus dem Plattwurm will Agata nun nutzen, um embryonale Stammzellen der Maus in dreidimensionales Gehirn zu verwandeln. Seine Mitstreiter warten gespannt auf die Veröffentlichung dieser Sensation.
So mancher mag erschauern ob der vielköpfigen und vollhirnigen Plattwürmer. Werden am Ende Menschen mit Hirn im gesamten Körper die neuen Kopfarbeiter? Luca Gentile hält solche Szenarien für absurd: „Wenn wir so regenerationsfähig wären wie die Planarien, wären wir Planarien. Je komplexer ein Lebewesen ist, desto weniger Selbstheilungskräfte hat es.” Im Laufe von Jahrmillionen der Evolution hat der Plattwurm seine Gewebe und Körperfunktionen offenbar auf das Nötigste reduziert. „Die Tiere sind so erfolgreich aufgrund des hohen Grades an Vereinfachung, den sie erreicht haben”, stimmt Emili Saló zu und nennt ein kurioses Beispiel: „Sie haben nicht einmal einen Anus. Sie scheiden alles über den Schlund aus, mit dem sie auch essen.”
Keine Frage, in diesem Punkt wollen wir lieber nicht mit dem Wurm tauschen. Der Preis dafür ist, dass uns Arme oder Kopf nachwachsen könnten, wäre zu hoch. ■
SUSANNE DONNER hat in Münster den ersten Welt-Plattwurm-Kongress besucht und wurde sofort zum Fan der kleinen Lebenskünstler.
von Susanne Donner
Ohne Titel
Kompakt
· Plattwürmer (Planarien) können Verletzungen unbegrenzt selbst heilen – sogar Amputationen.
· Das macht sie zu Modellorganismen für Humanmediziner, die versuchen, menschliche Ersatzorgane zu züchten.
