Neue Technik: Zelldifferenzierung per Barcode verfolgen

Heidelberg – Eine neue Technik soll die Differenzierung von Stammzellen dynamisch erfassen und Einblicke in die Entwicklung unterschiedlicher Gewebe sowie in die Krebsentstehung geben. Mithilfe eines „Zufallsgenerators“ versehen Wissenschaftler des Deutschen Krebsforschungszentrums (DKFZ) Blutstammzellen mit genetischen Barcodes und können so verfolgen, welche Zelltypen daraus hervorgehen. Ihre neue Technik stellen die Forscher um Weike Pei, Thomas Höfer und Hans-Reimer Rodewald jetzt in Nature vor (2017; doi: 10.1038/nature23653).

Bisher existieren verschiedene Auffassungen darüber, wie sich etwa Blutzellen entwi­ckeln. Sie basieren jedoch fast ausschließlich auf Experimenten, die Momentaufnah­men widerspiegeln.

Nach der klassischen Vorstellung fächern sich unterschiedliche Entwicklungslinien auf wie in einem Baum. Den Baumstamm bilden die Stammzellen, die Äste verschiedene Vorläuferzellen, aus denen sich noch mehrere Zelltypen entwickeln können. Dann verzweigt es sich zu den spezialisierten Blutzellen, den roten Blutkörperchen, Blut­plättchen und verschiedenen weißen Blutkörperchen. In den letzten Jahren häuften sich jedoch die Zweifel an diesem Modell.

„Genetische Barcodes sind schon in der Vergangenheit entwickelt und eingesetzt worden, basierten jedoch auf Methoden, die auch die Zelleigenschaften verändern können“, erklärt Hans-Reimer Rodewald vom DKFZ. „Unsere Barcodes dagegen können gewebespezifisch direkt im Erbgut der Mäuse induziert werden – ohne die physio­logische Entwicklung der Tiere zu beeinflussen.“ Grundlage dafür bildet das sogenann­te Cre/loxP-System, mit dem sich speziell markierte DNA-Abschnitte umordnen oder entfernen lassen.

Bis zu 1,8 Millionen verschiedene genetische Barcodes sind möglich

Weike Pei und Thorsten Feyerabend züchteten dazu Mäuse, die die Grundelemente des Barcodes in ihrem Genom tragen: An einer ausgewählten Stelle, an der keine Erb­anlagen verschlüsselt sind, befinden sich neun kleine DNA-Schnipsel aus einer Pflanze, der Ackerschmalwand. Flankiert werden diese Elemente von insgesamt zehn geneti­schen Schnittstellen, loxP genannt. In den Blutstammzellen der Tiere lässt sich nun die dazu passende molekulare Schere „Cre“ durch die Gabe eines Wirkstoffs aktivieren. Dann werden zufällig Code-Elemente umgeordnet oder herausgeschnitten. „Dieser genetische Zufallsgenerator kann bis zu 1,8 Millionen verschiedener genetischer Barcodes erzeugen, und wir können diejenigen Codes identifizieren, die in einem Experiment nur einmal entstehen“, sagt Höfer.

„Den Rest der Arbeit übernehmen die Mäuse“, sagt Rodewald. Denn wenn sich die so markierten Blutstammzellen teilen und heranreifen, bleiben die Barcodes erhalten. In Zusammenarbeit mit dem Max-Delbrück-Zentrum für molekulare Medizin haben die Wissenschaftler Barcode-Analysen durchgeführt, um nachzuverfolgen, von welcher Stammzelle eine bestimmte Blutzelle abstammt.

Diese Analysen haben ergeben, dass aus den Blutstammzellen der Mäuse zwei große Entwicklungsäste hervorgehen: In einem Ast entwickeln sich die T- und B-Zellen des Immunsystems. Im anderen die roten Blutkörperchen sowie verschiedene weitere weiße Blutkörperchen, etwa Granulozyten oder Monozyten. Alle diese Zelltypen können aus einer einzelnen Stammzelle entstehen. „Unsere Befunde zeigen, dass das klassische Modell eines hierarchischen Entwicklungsbaumes, der von multipotenten Stammzellen ausgeht, für die Blutbildung gilt“, betont Rodewald.

Das System der Heidelberger eignet sich nicht nur dazu, die Entwicklung von Blut­zellen zu untersuchen. Die Strategie lässt sich im Prinzip in jedem Gewebe anwenden. Auch der Ursprung von Leukämien und anderen Krebserkrankungen könnte sich in Zukunft auf diese Weise experimentell verfolgen lassen.

gie/idw