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Forscher erstellen Ei-und Spermienvorläufer mit menschlichen embryonalen Stammzellen

In der Vergangenheit haben Forscher mit Hilfe von Nagerstammzellen Vorläufer für Ei und Sperma - sogenannte Urkeimzellen - geschaffen. Jetzt haben Wissenschaftler der Universität Cambridge in Großbritannien und des Weizmann-Instituts in Israel diese Zellen erfolgreich mit humanen embryonalen Stammzellen und adulten menschlichen Hautzellen hergestellt.
Die Forscher entdeckten, dass ein Gen namens SOX17 eine wichtige Rolle bei der Umwandlung menschlicher Stammzellen in PGCs spielt. Die grünen Zellen in diesem Bild eines Embryos sind SOX17-positiv.
Bildnachweis: Walfred Tang, Universität Cambridge

Der leitende Forscher Prof. Azim Surani vom Gurdon-Institut an der Universität Cambridge und sein Team sagen, dass ihre Ergebnisse nicht nur Auswirkungen auf die Fertilitätsbehandlung haben könnten, sondern auch die Tür zu neuen Behandlungsmethoden für altersbedingte Krankheiten öffnen könnten.

Darüber hinaus zeigt die Studie signifikante Unterschiede in der Embryonalentwicklung zwischen Menschen und Nagetieren, was bedeutet, dass Ergebnisse von Studien mit Mäusen und Ratten nicht direkt auf den Menschen übertragen werden können.

Die Forscher veröffentlichen ihre Ergebnisse in der Zeitschrift Zelle.

Primordiale Keimzellen (PGCs) - Zellen, die zu Sperma und Ei werden - entstehen während der frühen Entwicklung von Säugetieren. Wenn sich ein Säugetier vermehrt, geben die PGCs genetische Daten an die Nachkommen weiter.

Prof. Surani und sein Team erklären, dass das Ei, wenn ein Sperma ein Ei befruchtet, eine Blastozyste bildet - eine Zellgruppe, die in den frühen Stadien eines Embryos entsteht. Einige Zellen in der Blastozyste bilden die innere Zellmasse, die zum Fötus wird. Andere Zellen in der Blastozyste bilden die äußere Zellwand, die zur Plazenta wird.

Den Forschern zufolge verwandeln sich Zellen in der inneren Zellmasse in Stammzellen, die zu jedem Zelltyp im Körper werden können. Einige dieser Zellen werden zu PGCs.

"Die Bildung von PGCs ist eines der frühesten Ereignisse in der frühen Säugetierentwicklung", sagt Dr. Naoko Irie, ebenfalls am Gurdon Institute der University of Cambridge. "Es ist ein Stadium, das wir mithilfe von Stammzellen von Mäusen und Ratten rekonstruieren konnten, aber bisher haben nur wenige Forscher systematisch menschliche Stammzellen verwendet."

SOX17 ist entscheidend für die Umwandlung menschlicher Stammzellen in PGCs

In ihrer Studie entdeckten Prof. Surani und sein Team, dass ein Gen namens SOX17 eine wichtige Rolle in einem Prozess spielt, der als "Spezifikation" bezeichnet wird und menschliche Stammzellen in PGCs umwandelt. Frühere Forschungen haben gezeigt, dass SOX17 an der Veränderung menschlicher Stammzellen in endodermale Zellen beteiligt ist, aber das Gen wurde noch nie mit der PGC-Spezifikation in Verbindung gebracht.

Das Mausäquivalent des SOX17-Gens ist jedoch nicht in die PGC-Spezifikation involviert. Das Team sagt, dieser Befund weist auf große Unterschiede zwischen der embryonalen Entwicklung von Mäusen und Menschen hin.

"Es hat wichtige Unterschiede zwischen der Embryonalentwicklung bei Menschen und Nagetieren deutlich gemacht, was bedeuten kann, dass Befunde bei Mäusen und Ratten nicht direkt auf Menschen übertragen werden können", sagt Dr. Irie.

Die Forscher fanden heraus, dass sie auch in der Lage waren, PGCs unter Verwendung von umprogrammierten adulten Zellen, einschließlich Hautzellen, zu erzeugen. Sie sagen, dass dieser Prozess die Tür für die Forschung an patientenspezifischen Zellen öffnen könnte, was das Verständnis von Unfruchtbarkeit, menschlicher Keimbahn und Keimzelltumoren verbessern könnte.

Erkenntnisse können das Wissen über erbliche epigenetische Mutationen erhöhen

Darüber hinaus sagt das Team, dass ihre Ergebnisse das Wissen darüber, wie Umweltfaktoren, die die Genaktivität beeinflussen können - wie Rauchen oder Ernährung -, vererben können.

Die Forscher erklären, dass Umweltfaktoren Gene über Methylierung beeinflussen können - ein Prozess, bei dem Moleküle an DNA binden und die Genaktivität erhöhen oder reduzieren. Methylierungsmuster können an Nachkommen weitergegeben werden.

In dieser Studie identifizierte das Team einen Prozess, der solche Methylierungsmuster während der PGC-Spezifikation eliminiert. Sie stellen jedoch fest, dass Spuren von Methylierungsmustern immer noch an Nachkommen weitergegeben werden können.

Prof. Surani kommentiert dieses Ergebnis:

"Keimzellen sind" unsterblich "in dem Sinne, dass sie eine dauerhafte Verbindung zwischen allen Generationen bilden und genetische Information von einer Generation zur nächsten tragen.

Die umfassende Löschung der epigenetischen Information stellt sicher, dass die meisten, wenn nicht alle epigenetischen Mutationen gelöscht werden, was die "Verjüngung" der Linie fördert und es ermöglicht, endlose Generationen hervorzubringen. Diese Mechanismen sind von größerem Interesse für das Verständnis altersbedingter Erkrankungen, die zum Teil auf kumulative epigenetische Mutationen zurückzuführen sein können. "

Früher in diesem Jahr, Medizinische Nachrichten heute berichteten über eine Studie von Forschern des Wellcome Trust Sanger Institute in Großbritannien, die eine wichtige Entdeckung von "Sperma trifft Ei" enthüllen.

Die Forschung folgte einer Studie aus dem Jahr 2005, in der Wissenschaftler aus Japan ein Protein auf der Oberfläche der Spermien - genannt Izumo - fanden, das erkennt, dass das Ei einen Embryo bildet. Das Team des Sanger-Instituts fand das Protein auf dem Ei - Juno genannt -, das das Sperma erkennt.

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