Zuckerstoffwechsel steuert Darm-Regeneration

Eine überraschende Verbindung zwischen Zuckerstoffwechsel und Anpassung des Darmgewebes an den Ernährungszustand entdeckten Wissenschaftler des Deutschen Krebsforschungszentrums und der Universität Heidelberg.

Kein anderes Gewebe unseres Körpers weist eine so hohe Rate an Zellerneuerung auf wie der Darm. Da das Darmgewebe hohen Energiebedarf hat, ist es für den Organismus wichtig, das Volumen und die Struktur des Darmgewebes an wechselnde Nährstoffangebote anzupassen. Ist diese Regulation gestört, kann Darmkrebs entstehen oder es kann zu einem Schwund der Darmschleimhaut, einer so genannten Darm-Atrophie kommen.

Für die kontrollierte Erneuerung des Darmgewebes sind Darm-Stammzellen zuständig. Wenn nicht genügend Nährstoffe vorhanden sind, teilen sich die Stammzellen langsam und der Darm schrumpft. Eine günstige Ernährungslage kurbelt die Stammzellteilung an und der Darm erholt sich wieder zu seiner normalen Größe. Bislang existierten jedoch nur wenige Ergebnisse darüber, wie diese Anpassung auf molekularer Ebene reguliert wird.

Das Team um Michael Boutros vom Deutschen Krebsforschungszentrum und der Medizinischen Fakultät Mannheim der Universität Heidelberg hat dies nun in Kooperation mit Kollegen von der Universität Helsinki am Darm der Fruchtfliege Drosophila melanogaster untersucht. Die Wissenschaftler konnten zeigen, dass die Darm-Stammzellen einen zelleigenen Zucker-Biosyntheseweg nutzen, um die Rate ihrer Zellteilungen zu kontrollieren.

Eine hohe Syntheserate von Glukosamin, einem Traubenzucker-Derivat, signalisiert den Stammzellen, sich zu teilen und Zell-Nachschub zu bilden. Werden die Fliegen mit einem Glukosamin-Derivat (N-Acetyl-Glukosamin) gefüttert, proliferierten die Darm-Stammzellen unabhängig von einer ansonsten schlechten Ernährungssituation. Blockierten die Forscher dagegen die Biosynthese von N-Acetyl-Glukosamin genetisch, konnte selbst ein hoher Nährstoffgehalt die Teilungsrate der Darm-Stammzellen nicht ankurbeln. Glukosamin verbesserte außerdem die Reaktionsfähigkeit der Stammzelle auf Insulin, einem zentralen Signalmolekül für den Nährstoffstatus des Organismus.

„Der Biosyntheseweg für Glukosamin war bisher nicht als Modulator der Stammzellen im Darm bekannt. Wir haben hier eine überraschende Verbindung zwischen dem Zuckerstoffwechsel und der Anpassung des Darms an verschiedene Ernährungsbedingungen entdeckt“, sagt Michael Boutros. Sollte N-Acetyl-D-Glukosamin auch in Darmzellen des Menschen eine vergleichbare Rolle spielen, könnten die aktuellen Ergebnisse auch medizinische Bedeutung gewinnen. „Ob dies jedoch tatsächlich so beim Menschen funktioniert, muss zunächst noch sorgfältig geprüft werden“, gibt Boutros zu bedenken.

Jaakko Mattila, Krista Kooki, Ville Hietakangas und Michael Boutros: Stem cell intrinsic hexosamine metabolism regulates intestinal adaptation to nutrient content.
Developmental Cell 2018, DOI: 10.1016/j.devcel.2018.08.011

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