Differenzierung (Biologie)

Bedeutung der Differenzierung

Differenzierung bezeichnet in der Entwicklungsbiologie die Entwicklung von Zellen oder Geweben von einem weniger zu einem stärker spezialisierten Zustand. Sie ist ein artspezifischer, vielfach irreversibler Wandel und kann von einzelnen Zellen oder Geweben in unterschiedlichen, polyvalenten Richtungen erfolgen. Zusammen mit der Zellteilung verleiht sie einem mehrzelligen Lebewesen seine Form; der Gesamtprozess heißt Morphogenese.

Sie findet bei der individuellen Entwicklung statt: Aus einer Zygote entsteht ein komplexer Organismus mit vielen Zell- und Gewebetypen. Auch im ausgewachsenen Organismus ist Differenzierung für die Aufrechterhaltung von Körperfunktionen wichtig. Krankheitsbedingt kann eine Rückbildung zu primitiveren Stadien eintreten; dies heißt Entdifferenzierung.

Genregulation als Grundlage

Auf molekularbiologischer Ebene bedeutet Differenzierung, dass nicht das gesamte Genom exprimiert, also in Proteine umgesetzt wird. Aktiv sind nur die Gene, die für den jeweiligen Zelltyp benötigt werden.

Damit ist Differenzierung eine längerfristig stabile Form der Genregulation. Sie unterscheidet sich von kurzfristig veränderbarer Genexpression, durch die Zellen beispielsweise auf Hormone oder Stress reagieren können.

Potenz, Determination und Veränderungen

Bei sexueller Fortpflanzung beginnt die Entwicklung mit der befruchteten Eizelle, der Zygote. Sie kann alle Zelltypen des vollständigen Organismus hervorbringen und ist daher totipotent. Durch Zellteilungen entstehen Tochterzellen, die sich entsprechend ihrer Zellabstammung auf verschiedene Aufgaben spezialisieren.

Bei Tieren begleitet häufig die Determination die Differenzierung. Sie legt die Entwicklungsrichtung einer Zelle fest und wird auf epigenetischem Weg an folgende Zellgenerationen weitergegeben. Eine determinierte Zelle behält ihr Entwicklungsprogramm sogar, wenn sie an einen anderen Ort im Organismus verpflanzt wird.

Dabei nimmt die Potenz, also die Fähigkeit zur Bildung verschiedener Zelltypen, schrittweise ab: Pluripotente embryonale Stammzellen können alle Zelltypen des Embryos bilden. Multipotente Körper- oder somatische Stammzellen können nur Zelltypen eines bestimmten Gewebes hervorbringen. Irreversibel differenzierte funktionelle Körperzellen verlieren meist ihre Teilungsfähigkeit und haben oft nur eine begrenzte Lebensdauer.

Unter bestimmten Umständen können Zellen ihre Determination ändern (Transdetermination), ihre Differenzierung verlieren (Dedifferenzierung) oder sich nach einer Dedifferenzierung erneut differenzieren (Transdifferenzierung). Solche Vorgänge spielen etwa bei der Wundheilung eine Rolle. Bei Krebs zeigt sich Entdifferenzierung als Anaplasie. Pflanzen besitzen meristematische Zellen, die auf Teilung sowie die Bildung neuer Zellen und Gewebe spezialisiert sind. Zudem bleiben pflanzliche, bereits ausdifferenzierte Zellen häufig nicht oder nur eingeschränkt determiniert und können sich beispielsweise nach einer Verwundung wieder teilen und verschiedene Zelltypen bilden.

Einflüsse auf den Entwicklungsweg

Welche Spezialisierung eine Zelle einschlägt, hängt von äußeren und inneren Faktoren ab. Dazu gehören Wachstumsfaktoren und Hormone, Kontakte zu Nachbarzellen sowie die Herkunft aus ihren Vorläuferzellen. Die Herkunft wirkt über die Determination auf die weitere Entwicklung ein.

Beispiele für Differenzierung

Friedrich Vogel beschrieb 1961 Probleme der Differenzierung in der Embryonalentwicklung im Zusammenhang mit der Bildung gengesteuerter Proteine. Deren Bildung hängt wiederum vom Substratangebot ab. Als experimentell überprüfbares Beispiel nannte er die enzymatische Adaptation bei Hefe: Wird sie mit Glukose ernährt, setzt sie anderen Zucker wie Galaktose zunächst nicht bereitwillig um. Bei einem Angebot von Galaktose ist diese Fähigkeit nach einigen Stunden nachweisbar, weil die Galaktokinase-Aktivität steigt; gleichzeitig sinkt die Glukokinase-Aktivität. Dieser Vorgang wird als Enzyminduktion bezeichnet.

Die menschliche Netzhaut veranschaulicht außerdem rindenähnliche Differenzierung von Nervengewebe. Sie ist ein dem Gehirn vorgelagerter Anteil und besitzt die für kortikale Strukturen typische mikroskopische Schichtung, die Laminierung. Laminierung ist ein Bauprinzip der grauen Substanz. Ein Vergleich der menschlichen Entwicklung mit der des Tintenfischs zeigt bei der Organisation der Netzhaut, dass der Bauplan des inversen Auges Vorteile für die Blutversorgung bietet.

Vorstufen von Nervenzellen und Glia

Noch nicht endgültig differenzierte histogenetische Vorstadien verschiedener Entwicklungslinien heißen Blasten. Ein Beispiel sind die einheitlich gestalteten Wandzellen in der Wand des embryonalen Neuralrohres, der Zona nuclearis intermedia. Sie werden auch Neuroepithel genannt.

Aus diesen Wandzellen entstehen Glioblasten, Neuroblasten und Ependymzellen. Neuroblasten sind Vorstufen späterer Neuronen; Glioblasten sind Vorstufen der Glia.