34.3.1 Die genetischen und epigenetischen Spielregeln der Neurogenese in Insekten

Die Verflechtung von Regulation und Zelldetermination wird exemplarisch am Beispiel der Neurogenese im Insektenembryo dargestellt, soweit sie mit den Mitteln der formalen und der molekularen Genetik aufgeklärt wurde. Im zweiten Teil dieses Kapitels werden diese Vorgänge bei Vertebraten vergleichend dargestellt. Es gilt zu zeigen, daß es in der Entwicklung des Nervensystems viele Parallelen speziell zur Muskelentwicklung gibt, aber auch, daß die Prinzipien, die bei der Bildung des komplexen Nervensystems zur Anwendung kommen, denen in anderen Geweben sehr ähnlich sind.

Im ersten Schritt der Neurogenese erhalten selektive Bezirke des Embryos durch die Expression von Proneuralgenen die Kompetenz, sich zu Neuronen zu entwickeln. Aus diesem Rohmaterial werden im zweiten Schritt die Stammzellen (Neuroblasten) des Nervengewebes und der Glia durch die Aktivität der neurogenen Gene ausgemustert und schließlich bestimmen neuronenspezifische Gene die Differenzierung dieser Zellen. Bei den Invertebraten entsteht das Zentralnervensystem (ZNS) aus einem definierten Bezirk des ventralen embryonalen Ektoderms, dem Neuro-Ektoderm. Die Sinneszellen und assoziierte Elemente des peripheren Nervensystems (PNS) werden ebenfalls aus lateralen Ektodermfeldern gebildet, die schließlich einzelne Zellen als Vorläufer der externen Sinnesorgane aussondern.

Die beiden Grundtypen von Zellen des ZNS - Neurone und Glia - entstehen bei den Invertebraten durch die äquale Teilung von Ganglienmutterzellen, die ihrerseits von Neuroblasten (Stammzellen) durch inäquale Teilung abgeschnürt werden (Abb. 34-7). Das mitotische Potential der Ganglienmutterzellen ist beschränkt, so daß sie nur eine limitierte Anzahl von Zellen bilden können. Ein Vorteil des Stammzellsystems ist, daß hiermit die Größe von Zellpopulationen in linearer Weise abgestimmt wird und die Problematik des exponentiellen Wachstums umgangen werden kann, das unweigerlich stattfände, wenn alle Zellen die gleiche Zahl von Teilungen durchführen würden. Der erste Schritt der Neurogenese ist somit die Entstehung von Neuroblasten.

Die embryonalen Neuroblasten des Bauchmarks sondern sich im Insektenembryo aus der ventral gelegenen neurogenen Region des Blastoderms ab, das z.B. bei Drosophila melanogaster aus etwa 1.800 äußerlich gleichartigen Zellen gebildet wird. Nur ein Teil dieser Zellen, etwa 450, differenziert sich im Normalfall zu Neuroblasten, die anderen 1.350 Zellen werden zu nicht-neuralen, die Epidermis aufbauenden Zellen (Abb. 34-8). An diesem System kann die Frage exemplarisch studiert werden, wie unterschiedliche Zelltypen aus gleichartigen Vorläuferzellen entstehen und welche molekularen Mechanismen bei der Kommunikation zwischen Zellen eines Gewebes zur Anwendung kommen. Einfache Deletionsexperimente konnten zeigen, daß Entfernen einzelner Neuroblasten durch Laserablation die Differenzierung benachbarter Ektodermzellen zu Neuroblasten nach sich zieht, entsprechend einem Modell, in dem Neuroblasten ihre Nachbarn an der Transdifferenzierung hindern (laterale Inhibition). Das Schicksal einer bestimmten Zelle in der neurogenen Region ist somit nicht eindeutig zellautonom festgelegt; es wird erst durch Wechselwirkungen mit Nachbarzellen entschieden.

Als Mediatoren dieser inhibitorischen Funktion wurde ein Wirkgefüge von Genprodukten identifiziert, in dessen Zentrum die Produkte der Gene Notch (N) und Delta (Dl) stehen, die ein Rezeptor/Liganden-Paar an der Oberfläche kompetenter Zellen bilden (s. 34.3.1.9).