Ein neues Instrument zur Zellverfolgung liefert mehr Hinweise für die Früherkennung und Behandlung von Krebs

Auch in der mikroskopischen Welt des Lebens verfügt jede Zelle über einen solchen geheimnisvollen „Stammbaum“, der den „Hintergrund“ und die „Vererbung“ der Zelle aufzeichnet. Wenn sich Zellen teilen oder differenzieren, bilden sie nach und nach verschiedene Zell- und Gewebetypen. Einige werden zu Nervenzellen und bauen komplexe neuronale Netzwerke auf; einige werden zu Muskelzellen und liefern Energie für die Körperbewegung; andere differenzieren sich zu Blutzellen, die für den Transport von Sauerstoff und Nährstoffen verantwortlich sind …

Dieser „Stammbaum“ der Zellen wird als Zelllinie bezeichnet und ist von entscheidender Bedeutung für das Verständnis des Entwicklungsprozesses des Lebens sowie der Entstehung und Entwicklung von Krankheiten.

Kürzlich arbeiteten das Team von Wang Shouwen von der School of Life Sciences der Westlake University und des Westlake Laboratory sowie das Team von Li Li zusammen, um im Bereich der Einzelzell-Abstammungsverfolgung ein neues Computertool namens MethylTree zu entwickeln. Mit diesem Tool können Zelllinien auf multiomische Weise präzise verfolgt werden, ohne dass eine Genbearbeitung erforderlich ist. Damit wird ein neues Kapitel in der nicht-invasiven Linienverfolgung aufgeschlagen und es ergeben sich zahlreiche Möglichkeiten für die Untersuchung der Entwicklung menschlichen Gewebes, von Krankheitsmechanismen und der Stammzelltherapie.

Screenshot des Dokuments

Die Erforschung der Zelllinien begann mit mikroskopischen Beobachtungen und Aufzeichnungen im späten 19. Jahrhundert und dauert nun schon seit einem Jahrhundert an. Es wurden bereits viele Methoden zur Untersuchung der Zelllinien entwickelt, es bestehen jedoch noch immer einige Mängel.

Beispielsweise erfordern einige Methoden die Bearbeitung der zellulären DNA, was weder aus ethischer noch aus technischer Sicht sehr ausgereift ist und sich daher nicht für die Forschung am Menschen eignet. Und jene Methoden, die keine direkte Bearbeitung der Zellen erfordern, basieren auf seltenen somatischen DNA-Mutationen (die Wahrscheinlichkeit einer Mutation ist extrem gering, nur 10-9 pro nt/Teilung), die nicht nur sehr hohe technische Anforderungen stellen, sondern auch sehr teuer sind (ungefähr 200 US-Dollar pro Zelle).

Angesichts dieser Probleme hat das Forschungsteam versucht, eine neue effiziente, genaue und multiomische Methode zur Abstammungsverfolgung zu entwickeln.

Der Durchbruch war eine häufige epigenetische Modifikation der DNA, die Methylierung. DNA-Methylierung kann die Genexpression regulieren, indem sie manchmal die Expression bestimmter Gene stoppt und manchmal die Reaktivierung und Expression von Genen induziert.

Stellen Sie sich vor, Sie hätten ein sehr komplexes und informatives Buch des Lebens, das eine riesige Menge an Lebensinformationen enthält. Einige Kapitel müssen zu bestimmten Zeiten gelesen werden, während andere Kapitel zu bestimmten Zeiten ignoriert werden müssen. Methylierung ist wie ein Lesezeichen. Sie ändern den Inhalt des Buches nicht, sagen Ihnen aber, welche Kapitel jetzt gelesen werden sollten und welche Kapitel vorübergehend ignoriert werden können.

Zelllinien zeichnen die Geschichte der Zellteilungen innerhalb eines Individuums auf

Daher nutzte das Forschungsteam die Methylierungseigenschaften von Zellen und entwickelte erfolgreich ein neues Computertool zur Abstammungsverfolgung namens MethylTree. Methyl bedeutet Methylierung, was bedeutet, dass die Eigenschaften der Zellmethylierung zur Verfolgung des Zellstammbaums verwendet werden. MethylTree vermeidet nicht nur geschickt das Problem fehlender Werte und Rauschstörungen, sondern eliminiert auch erfolgreich die Auswirkungen von DNA-Methylierungsunterschieden, die für verschiedene Zelltypen einzigartig sind.

Gleichzeitig bestätigte das Team, dass die Genauigkeit von MethylTree in mehreren experimentellen Systemen wie dem menschlichen hämatopoetischen System, der frühen Embryonalentwicklung und Krebs nahezu 100 % beträgt!

Abbildung 2: MethylTree rekonstruiert erfolgreich die Abstammung des menschlichen Nabelschnurbluts. Die Klone in der MethylTree-Linien-Heatmap (rechtes Feld) stimmen mit den Klonen überein, die im Experiment durch das Lentivirus LARRY definiert wurden (linkes Feld).

Welchen Nutzen hat die Erforschung der Zellabstammung?

Durch die Untersuchung von Zelllinien können Forscher die schicksalsbestimmenden Mechanismen verschiedener Zelltypen aufdecken und den Entwicklungsprozess von Geweben und Organen verstehen. Sie können auch die Abstammungsbeziehungen von Tumorzellen verstehen, was Hinweise für eine frühzeitige Diagnose und Behandlung von Krebs liefern kann. Sie können außerdem verstehen, wie sich Stammzellen in bestimmte Zelltypen differenzieren, und so die Entwicklung von Technologien zur Gewebezüchtung und Organregeneration vorantreiben.

Das Forschungsteam hat ein Tool entwickelt, aber ihre Erwartungen beschränken sich nicht auf dieses Tool. Vom Auftreten und der Entwicklung der Krankheit bis hin zur personalisierten Optimierung der Behandlung hoffen sie, dass sich weitere Teams anschließen und dieses Tool nutzen werden, um weitere Geheimnisse der Zellentwicklung und -differenzierung zu entschlüsseln.

(Quelle: Chao News, Westlake University)