Wie die Vielfalt der Zellen entsteht

Epigenetische Regulationsfaktoren unter der Lupe

29. Juli 2020

Welche Rolle Faktoren bei der Embryonalentwicklung spielen, die nicht die Sequenz, sondern nur die „Verpackung“ des Erbgutes epigenetisch verändern, zeigt ein Forschungsteam am Berliner Max-Planck-Institut für molekulare Genetik an frühen Embryonen von Mäusen. In dem Fachjournal Nature beschreiben sie, wie diese Steuerungsmechanismen zur Bildung unterschiedlicher Gewebe und Organe im wachsenden Embryo beitragen.

Ein sich normal entwickelnder Embryo einer Maus ähnelt entfernt einem Seepferdchen (links). Fehlt der epigenetische Regulator PRC2, ähnelt er eher einem Ei (rechts). Ein Blick in das Innere der vielen Zellen des Embryos zeigt, welche Aufgaben solche wichtigen Regulationsfaktoren in der Entwicklung übernehmen.

Innerhalb eines Organismus ist die genetische Information jeder einzelnen Zelle gleich – dennoch entstehen im Lauf der Embryonalentwicklung eine Vielzahl an unterschiedlichen Geweben und Organen. Welche Zellen dabei welche Aufgaben im Körper übernimmt, reguliert ein komplexes Uhrwerk aus Molekülen. Es bestimmt, welches Gen wann und wo aktiv wird.

Wichtige Bestandteile dieses Steuerungssystems sind die epigenetischen Regulatoren – Faktoren, die die „Verpackung“ des Erbgutes modifizieren, die DNA selbst und die darauf kodierten Gene jedoch nicht verändern. Sie versehen Abschnitte des Erbgutfadens mit einer Art Lesesperre und steuern so, auf welche Abschnitte die Zelle wann zugreifen kann.

Die meisten dieser Regulatoren sind für die Entwicklung eines Organismus überlebensnotwendig. Fehlen sie, sterben betroffene Embryonen bereits zu dem Zeitpunkt, an dem ansonsten die Entwicklung der Organe beginnen würde. Nicht zuletzt deshalb konnten sie bislang nur schwer untersucht werden. Dabei sind sie nicht nur für die Entwicklung von Embryonen, sondern auch von Krebstumoren relevant.

Präzise Untersuchung von Embryonen

„Ein und derselbe Regulator ist zwar in allen Zellen vorhanden, hat jedoch unterschiedliche Aufgaben. Welche, hängt von der Zelle selbst und dem Zeitpunkt in der Entwicklung ab“, sagt Stefanie Grosswendt, eine der Erstautorinnen der Studie, die jetzt im Fachjournal Nature erschienen ist.

Grosswendt und Helene Kretzmer aus dem Team um Alexander Meissner am Max-Planck-Institut für molekulare Genetik (MPIMG) in Berlin und Zachary Smith von der Universität Harvard in den USA ist es gelungen, die Bedeutung von epigenetischen Regulatoren für die Embryonalentwicklung in einer bisher unerreichten Präzision aufzuklären.

Die Forscherinnen und Forscher analysierten insgesamt zehn der wichtigsten bisher bekannten epigenetischen Regulatoren. Um ihre Funktion zu verstehen, entfernten sie mit der Genschere CRISPR-Cas9 gezielt die Gene für die Regulationsmoleküle in befruchteten Eizellen, die sich anschließend zu Mausembryonen weiterentwickelten.

Nach einer Entwicklungszeit von sechs bis neun Tagen untersuchte das Team die anatomischen und molekularen Veränderungen, die sich aus dem Fehlen des jeweiligen Regulators ergaben. Sie fanden heraus, dass die Zusammensetzung der verschiedenen Zellarten in den Embryonen zum Teil stark verändert war. Bestimmte Zelltypen wurden in viel zu hoher Zahl produziert, andere gar nicht erst gebildet.

Analyse tausender einzelner Zellen

Um diese Veränderungen auf molekularer Ebene zu entziffern, untersuchten die Forschenden aus jedem Embryo, denen jeweils ein epigenetischer Regulator entfernt worden war, hunderte bis tausende einzelner Zellen. Sie sequenzierten die RNA-Moleküle von fast 280.000 Einzelzellen und bestimmten daraus ihren Zelltyp. RNA entsteht, wenn ein Gen von der DNA abgelesen wird und gibt so Auskunft über die Genaktivität und Identität einer Zelle.

Zweidimensionale Darstellung einer computergestützten Analyse der Einzelzellen eines normal entwickelten Mausembryos. Jeder Punkt stellt eine sequenzierte Zelle dar, die anhand ihrer molekularen Eigenschaften in verschiedenfarbige Zelltypen gruppiert wurde.

Das Team konzentrierte sich bei seiner Analyse auf einen Abschnitt der Entwicklung, in dem die epigenetischen Regulatoren besonders wichtig sind. Durch den Vergleich mit Daten normal entwickelter Embryos konnte es falsch aktivierte Gene sowie Arten von Zellen identifizieren, von denen zu viel oder zu wenig entstanden waren. Aus diesem Gesamtbild ließen sich auch bisher unbekannte Aufgaben für die Regulatoren ableiten.

Komplexe Effekte während der Entwicklung

Ein acht Tage alter Mausembryo erinnert in seiner Form an ein Seepferdchen. Organe sind noch keine vorhanden. „Am äußeren Erscheinungsbild des frühen Embryos kann man vorerst nur erahnen, welche Strukturen und Organe noch gebildet werden und welche nicht“, sagen die Bioinformatikerin Helene Kretzmer und der Biologe Zachary Smith, ebenfalls Erstautoren der Publikation. „Bei der Sequenzierung ergibt sich ein viel differenzierteres und genaueres Bild.“

Computergestützte Analyse der Zellen eines Mausembryos, in dem der epigenetische Regulator PRC2 fehlt. Als Ergebnis wurden viele Zelltypen nicht gebildet.

Durch die Sequenzierung von Einzelzellen erhielten die Forschenden einen detaillierten Überblick über die embryonale Entwicklung während der ersten neun Tage. Häufig waren die Effekte eines einzigen ausgeschalteten Regulators komplex und beeinflussten, welche Gene zu welchem Zeitpunkt im Entwicklungsverlauf aktiviert wurden.

Besonders auffällig waren die Auswirkungen durch Fehlen des epigenetischen Regulators Polycomb (PRC2). „Ohne PRC2 sieht der Embryo nach achteinhalb Tagen untypisch eiförmig und sehr klein aus“, sagt Kretzmer. „Auf der DNA-Ebene sehen wir umfassende Veränderungen aber viel eher, lange bevor der Embryo morphologische Auffälligkeiten entwickelt.“

So ist PRC2 unter anderem dafür verantwortlich, die Menge an Keimbahn-Vorläuferzellen zu beschränken – der Zellen, die später einmal zu Spermien und Eizellen werden. Ohne PRC2 entwickelt der Embryo übermäßig viele dieser Zellen, gerät aus der Form und stirbt nach wenigen Tagen ab.

Startpunkt für weitere Analysen

„Mit der Kombination von neuen Technologien konnten wir Fragen neu aufgreifen, die seit 25 Jahren im Raum standen“, sagt Studienleiter Alexander Meissner. „Wir verstehen jetzt besser, wie epigenetische Regulatoren dafür sorgen, dass wir so viele verschiedene Arten von Zellen im Körper haben.“

Die Arbeit sei aber nur der erste Schritt für noch detailliertere Untersuchungen, erklärt Meissner: „Mit der von uns etablierten Kombination von Methoden können auch andere Faktoren wie Transkriptions- oder Wachstumsfaktoren oder auch Kombinationen davon untersucht werden. Damit können wir sehr frühe Entwicklungsstadien beobachten – und zwar in einer Detailtiefe, die bislang unvorstellbar war.”

[blk]

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