Warum Salamander perfekte Schwänze nachwachsen lassen können, but lizards can’t

Neue Forschungsergebnisse erklären, warum die Schwanzregeneration bei Salamandern perfekt und bei Eidechsen unvollkommen ist – und könnten helfen zu klären, warum Mäuse ihre Schwänze überhaupt nicht regenerieren können.

Stammzellen im Rückenmark sind der entscheidende limitierende Faktor, berichten die Wissenschaftler in den Proceedings of the National Academy of Sciences.

„Das traditionelle Tiermodell für die Regeneration ist der Salamander“, sagt Seniorautor Thomas P. Lozito, Assistenzprofessor in der Abteilung für orthopädische Chirurgie, dem Center for Cellular and Molecular Engineering und dem McGowan Institute for Regenerative Medicine an der Universität von Pittsburgh.

„Salamander können eine Vielzahl von Geweben regenerieren – Gehirn, Herz, Teile ihrer Augen, Gliedmaßen, Schwänze – aber sie haben ganze Klassen von Molekülarten und Geweben, die bei Säugetieren einfach nicht vorkommen, so dass wir nicht wirklich viel von dem, was wir beim Salamander gefunden haben, auf den Menschen übertragen konnten.“

„Man kann eine Eidechse mit einem regenerierten Schwanz leicht erkennen. Sie macht nichts richtig.“

Wenn es darum geht, die Regenerationsforschung auf nicht regenerierende Arten wie den Menschen zu übertragen, ist die Eidechse ein viel besseres Modell als der Salamander, so Lozito. Eidechsen sind die nächsten Verwandten der Säugetiere, die ein Anhängsel regenerieren können, und sie haben ein ähnliches Genom und eine ähnliche Biochemie.

Aber Eidechsen können verlorene Gliedmaßen überhaupt nicht regenerieren, und ihre regenerierten Schwänze sind viel einfacher als die Originale.

„Man kann eine Eidechse mit einem regenerierten Schwanz leicht erkennen“, sagt Lozito. „Sie macht nichts richtig. Die Schuppen sind anders, das Farbmuster ist anders, und wenn man dann ins Innere des Schwanzes schaut, ist das ganze Gewebe anders. Es gibt keine Knochen; das Skelett ist komplett knorpelig, nur Röhren in Röhren.“

Das Verständnis, was die perfekte Regeneration im Salamander von der unvollkommenen Regeneration in der Eidechse unterscheidet, legt den Grundstein für die Überbrückung der Lücke zu nicht-regenerierenden Arten, sagt er.

Lozitos Eidechse der Wahl ist der Trauergecko, der mehrere interessante Eigenschaften hat, einschließlich einer hohen Toleranz für Transplantationen.

„Das Rückenmark ist der Hauptregulator der Schwanzregeneration…“

Diese Eigenschaft erlaubte es Lozito und Kollegen, neurale Stammzellen – die entstehenden Vorläufer von Neuronen und Glia, die nicht-neuronalen Zellen, die sie umgeben – aus dem Salamander zu entnehmen und sie in den sich regenerierenden Schwanzstumpf der Eidechse einzusetzen. Sie wollten herausfinden, was die Schwanzregeneration bei der Eidechse behindert: die biochemische Umgebung oder die einheimischen Stammzellen der Eidechse.

Die transplantierten Salamander-Stammzellen behielten ihre Fähigkeit, sich in verschiedene Zelltypen zu differenzieren, einschließlich Neuronen. Im Gegensatz dazu konnten sich die neuralen Stammzellen der Eidechse nur in Gliazellen verwandeln, die die Botschaften, die Bewegung und Gefühl steuern, nicht verarbeiten.

„Es war eine schöne Überraschung“, sagt Hauptautor Aaron Sun, ein medizinisch-wissenschaftlicher Praktikant, der einen Teil seiner Forschung in Lozitos Labor absolvierte. „Und es zeigt, dass die regenerativen Prozesse vielleicht noch etwas konserviert sind.“

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Aber die vielleicht überraschendste Beobachtung, sagt Sun, ist, dass die traditionell beschriebenen „neuralen Stammzellen“, die die Regeneration in der Eidechse antreiben, gar keine „echten“ neuralen Stammzellen sind. Obwohl sie viele der klassischen Kriterien erfüllen, fehlt ihnen ein entscheidendes Merkmal – die Fähigkeit, eine Vielfalt von Zelltypen hervorzubringen.

Das erklärt, warum es bei der Eidechse keine perfekte Schwanzregeneration gibt, sagt Lozito. Die neuralen Stammzellen können nicht die verschiedenen Zelltypen produzieren, die notwendig wären, um die Asymmetrien des ursprünglichen Rückenmarks nachzubilden, was wiederum die Entwicklung von knöchernen Wirbeln hemmt.

„Das Rückenmark ist der Hauptregulator der Schwanzregeneration, und diese Unterschiede, die wir zwischen Eidechsen- und Salamanderschwänzen sehen, sind auf Unterschiede in der Stammzellqualität zurückzuführen“, sagt Lozito. „Es liegt alles an den neuralen Stammzellen.“

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Die National Institutes of Health haben diese Forschung finanziert.