DNA Typewriter rekonstruiert den Zellstammbaum eines Mausembryos

Ein biologisches Protokoll der Entwicklung

Forschende haben den Stammbaum der Zellen in einem sich entwickelnden Mausembryo rekonstruiert, indem sie die DNA des Embryos selbst in ein Protokoll seiner Geschichte verwandelten. Die Arbeit nutzte eine Tracking-Technologie namens DNA Typewriter, die in den Zellen verblieb, während diese sich teilten und im Verlauf der Entwicklung spezialisierte Funktionen übernahmen.

Das Protokoll beginnt mit der Teilung der befruchteten Eizelle in zwei Zellen und reicht über 13,5 Entwicklungstage hinweg. Zu diesem Zeitpunkt hatten sich der Körper und die Organe der Maus bereits ausgebildet. Die vollständige Tragzeit von Mäusen beträgt etwa 19 bis 21 Tage, sodass das Experiment in die prägende Phase der Embryonalentwicklung fällt.

Die in Science veröffentlichte Studie befasst sich mit einer zentralen Frage der Entwicklungsbiologie: Wie hängt die frühe Abstammung einer Zelle mit ihrer späteren Funktion zusammen? Jedes Organ und Gewebe entsteht aus Zellen mit gemeinsamen Ursprüngen, doch diese Zellen teilen sich, wandern und spezialisieren sich zunehmend. Diese Beziehungen im großen Maßstab zu rekonstruieren, war eine langjährige technische Herausforderung.

So funktioniert DNA Typewriter

Das Team fügte ein neu entwickeltes Aufzeichnungs-„Band“ in das Genom einer befruchteten Mauseizelle ein. Während sich der Embryo entwickelte, bewahrte das System Informationen im Erbgut der Nachkommenzellen. Der von den Forschenden verwendete Vergleich ist eine Schreibmaschine, die auf die eigene DNA einer Zelle schreibt statt auf Papier.

Da der Rekorder im Erbgut jeder Zelle verbleibt, kann sein Protokoll später aus einzelnen Zellen ausgelesen werden. Dadurch lassen sich Beziehungen zwischen Zellen erschließen, auch wenn die Entwicklung die frühesten Teilungen längst hinter sich gelassen hat.

Die neueste Version der Methode wurde entwickelt, um das Auslesen des Protokolls aus einzelnen Zellen zu erleichtern. Diese praktische Verbesserung ist entscheidend: Ein System zur Aufzeichnung von Zelllinien ist nur dann nützlich, wenn Forschende ausreichend viel von seiner gespeicherten Geschichte zuverlässig auslesen können, um Zellen in einem Embryo zu vergleichen.

In dieser Studie verfolgten die Forschenden die Entwicklungsgeschichte der Zellen von der ersten Teilung der befruchteten Eizelle bis zur Ausbildung des Körperplans und der Organe des Embryos. Die Arbeit verknüpft damit sehr frühe embryonale Ereignisse mit Ergebnissen, die erst viel später in der Entwicklung sichtbar werden.

Warum Abstammungskarten wichtig sind

Die Zelllinie ist mehr als eine genealogische Übung. Sie bietet eine Möglichkeit zu untersuchen, ob frühe Unterschiede in der Abstammung mit späteren Zellschicksalen verbunden sind. Ein Entwicklungsergebnis kann nicht nur von den Signalen abhängen, die eine Zelle zu einem bestimmten Zeitpunkt empfängt, sondern auch davon, wo sie in einer längeren Kette von Teilungen steht.

Dr. Jay Shendure von der University of Washington School of Medicine, ein leitender Mitautor der Studie, sagte, die Forschenden interessiere, wie die frühe Abstammung einer Zelle deren späteres Schicksal beeinflusst. Er beschrieb die Linienforschung als einen Weg, die normale Entwicklung zu entschlüsseln.

Die mögliche Bedeutung reicht über die Grundlagenforschung zur Embryologie hinaus. Die Forschenden erklärten, ein besseres Verständnis der Entwicklungslinien könne langfristig Erkenntnisse über angeborene Fehlbildungen, neuroentwicklungsbedingte Erkrankungen, genetische Störungen und Krebs fördern. Die Studie selbst ist ein Experiment mit Mausembryonen. Diese möglichen Anwendungen bleiben daher Forschungsrichtungen für die Zukunft und sind keine nachgewiesenen klinischen Anwendungen.

Die zugrunde liegende Annahme ist dennoch bedeutsam. Wenn Wissenschaftler einen ausgereiften Zelltyp mit einer detaillierten Aufzeichnung seiner Abstammung verbinden können, sind sie möglicherweise besser in der Lage festzustellen, wann Entwicklungswege auseinanderlaufen und welche frühen Ereignisse mit späteren Auffälligkeiten zusammenhängen.

Eine Plattform zur Erforschung der Entwicklung

DNA Typewriter wurde von Shendure und Junhong Choi entwickelt, der heute am Sloan Kettering Cancer Center tätig ist. Die vorliegende Arbeit umfasste ein neu entwickeltes genomisches Band und eine von Shendure und Chengxiang Qiu, einem Molekular- und Systembiologen am Dartmouth College, geleitete Zusammenarbeit.

Die entscheidende Leistung besteht nicht lediglich darin, Zellen zu einem bestimmten Zeitpunkt zu markieren. Vielmehr wird eine historische Aufzeichnung bewahrt, während sich diese Zellen vermehren und differenzieren. Dieser Unterschied könnte den Ansatz für Experimente wertvoll machen, in denen Forschende Abfolge und Beziehungen verstehen müssen, statt lediglich die am Ende eines Prozesses vorhandenen Zelltypen zu katalogisieren.

Der Embryo in diesem Experiment war ein anspruchsvoller Testfall. Die Entwicklung erzeugt aus einer einzigen befruchteten Eizelle eine große und vielfältige Sammlung von Nachkommen, während zwischen den frühen Teilungen, die diese Beziehungen begründen, und dem späteren Auftreten von Organen und Geweben mehrere Tage liegen. Der rekonstruierte Stammbaum überbrückt diesen Zeitraum.

Derzeit stellen die Ergebnisse einen Forschungsfortschritt in einem Mausmodell dar. Die Studie zeigt jedoch deutlicher, dass DNA als dauerhaftes, zellweises Aufzeichnungsmedium für die Entwicklungsgeschichte dienen kann. Diese Fähigkeit könnte Forschenden helfen, präzisere Fragen dazu zu stellen, wie lebende Systeme sich aus einer einzigen Zelle aufbauen.

Dieser Artikel basiert auf einer Berichterstattung von Phys.org. Originalartikel lesen.