Von Gerd Knoll
 

Embryonale Stammzellen sind die Grundlage für die Züchtung verschiedenster Gewebetypen, so die Befürworter der Stammzellforschung. Aber was passiert im Embryo genau, wenn sich aus den Stammzellen das Nervensystem, Knochen oder Gliedmaßen entwickeln? Es war Hans Spemann, der nach den Signalen suchte, die den Stammzellen den Weg durch die Embryonalentwicklung weisen. Für seine grundlegenden Entdeckungen erhielt er 1935 den Nobelpreis.

Die Stammzellen sind während der Embryonalentwicklung zu bestimmten Zeitpunkten und an bestimmten Orten einer definierten Mischung von Signalmolekülen ausgesetzt. Diese Stoffe steuern die Ausdifferenzierung der Stammzelle zum jeweiligen Zelltyp, etwa zur Muskelzelle. Die Identifizierung der Signale, ihre gegenseitige Beeinflussung und ihr Auftreten während der Embryonalentwicklung ist eines der Kernthemen, die von Entwicklungsbiologen bearbeitet werden. Zum ersten Mal wurde diese zentrale Frage nach dem Bauplan der Entwicklung vor gut hundert Jahren formuliert: im Labor von Hans Spemann.

In den zwanziger Jahren des letzten Jahrhunderts identifizierte der Pionier der Entwicklungsbiologie eine Zone im Embryo, die bereits sehr früh das gesamte spätere Entwicklungsprogramm der Zellen steuert. Seine Arbeiten sind das Fundament der heutigen Studien über die Differenzierung von Zellen und die dafür verantwortlichen Botenstoffe.

Eigentlich sollte Hans Spemann die elterliche Verlagsbuchhandlung weiterführen. Doch sein Interesse an den Naturwissenschaften und sein Drang, etwas Eigenes auf die Beine zu stellen, brachten ihn dazu, im letzten Jahrzehnt des neunzehnten Jahrhunderts in Heidelberg das Medizinstudium aufzunehmen.

Zu dieser Zeit stand die Biologie als Wissenschaft noch in ihren Anfängen. Mendels Grundregeln der Vererbung waren in Vergessenheit geraten, die Entwicklungsbiologie als Wissenschaftsdisziplin war gerade begründet worden. In Würzburg promovierte und habilitierte sich Spemann in Zoologie, ausgerechnet dem Fach, in dem er im Gymnasium noch am schlechtesten gewesen war. Bereits während seiner Habilitationsarbeiten begann er sich für entwicklungsbiologische Themen zu interessieren. Als Professor in Rostock, Berlin und Freiburg führte er diese Arbeiten fort.

Er stellte sich die Frage, wie während der Embryonalentwicklung aus einer einzelnen befruchteten Eizelle die Vielfalt an Zelltypen und Organen in einem immer gleichen, geordneten Muster im Körper ausgebildet werden kann. Warum ist der Kopf einer Maus am Vorderende und der Schwanz hinten, warum das Rückenmark am Rücken und nicht am Bauch?

Als Modellsystem verwendete er Amphibien, deren Entwicklung er gezielt beeinflusste: Er schnürte bestimmte Bereiche des Embryos ab oder transplantierte sie von einem Tier in ein anderes und untersuchte die Wirkung auf die Entstehung der Organe. Dazu musste er ausgeklügelte Werkzeuge und Operationstechniken austüfteln, die es überhaupt erst ermöglichten, die millimeterkleinen Eier und Embryonen zu manipulieren.

So gelang es ihm, eine Art Lageplan der erwachsenen Strukturen, etwa des Kopfes oder des Schwanzes, im Embryo zu erstellen. Seine ersten Resultate wurden von der Fachwelt kritisch aufgenommen, die seine Studien als wissenschaftliche Sackgasse bezeichneten. Spemann erwiderte, dass man nicht das Resultat von Experimenten kritisieren solle, die er noch gar nicht durchgeführt habe.

Das bahnbrechende Experiment zur Anerkennung von Spemanns Forschungen gelang seiner Doktorandin Hilde Mangold, die zu Beginn der zwanziger Jahre in sein Labor nach Freiburg gekommen war. Mangold benutzte in ihrer Doktorarbeit verschieden gefärbte Amphibienembryonen. Dadurch konnte sie beobachten, wie sich ein Gewebestückchen, das sie von einem Embryo auf einen anderen transplantiert hatte, weiterentwickelt. Dabei setzte sie die Gewebstückchen im Empfängerembryo nicht an vergleichbaren, sondern an anderen Orten im Amphibienkörper ein.

Ziel war es, das Schicksal des transplantierten Stücks und des umliegenden Empfängergewebes zu verfolgen. Mangold und Spemann wollten klären, ob Signale aus dem Spendergewebe Einfluss auf die Entwicklung des empfangenden Gewebe nehmen und sich Strukturen bilden, die eigentlich dem Lageplan des gespendeten Gewebes entsprechen - oder umgekehrt.

Mangold beobachtete Entwicklungen, die noch keiner gesehen hatte: Verpflanzte die Doktorandin Gewebe aus einem bestimmten Bezirk eines frühen Embryos, dann sah sie, wie sich an der Empfängerstelle eine komplette zweite Körperachse ausbildete. Zum Teil entwickelten sich sogar vollständige zweite Embryonen, quasi als siamesische Zwillinge. Der Bezirk, aus dem das Gewebe stammte, nannten Spemann und Mangold «Organisatorregion» - eben weil dieses Gewebe in der Lage ist, das Entwicklungsprogramm von Zellen in anderen Bereichen des Embryos umzupolen.

Die Experimente zeigten, dass die «Grundprogrammierung» der embryonalen Zellen auf der Ausbildung von Bauchgewebe liegt. Wenn die Organisatorregion entfernt wird, entsteht nur ein Zellklumpen, das sogenannte «Bauchstück» ohne Kopf, Nerven, Skelett oder Muskeln.

Die Ergebnisse ihrer Dissertation wurden 1924 veröffentlicht; im selben Jahr starb Hilde Mangold durch die Explosion ihres Ölofens, als sie ihrem gerade geborenen Sohn Christian das Fläschchen aufwärmen wollte. Ihre Doktorarbeit ist eine der wenigen, die direkt zur Verleihung des Nobelpreises führten, den Spemann 1935 erhielt.

Spemann und seine Nachfolger unternahmen vielfältige Anstrengungen, die Signale zu identifizieren, die in der Organisatorregion wirken. Aber erst sehr viel später, in den achtziger Jahren, gelang es Molekular- und Entwicklungsbiologen endlich die ersten Daten zur molekularen Identität der Botenstoffe zu gewinnen.