Zwei Forschergruppen haben in den letzten Tagen ihre entsprechenden Ergebnisse in den Fachzeitschriften Science sowie Cell veröffentlicht. Das eine Team dokumentierte die Entwicklung eines zwei Wochen alten Embryos , der aus einer befruchteten Eizelle stammte, von der Zellphase bis zur Zellphase , während das andere Team den Großteil der Zellteilungen während der Organbildung in den Embryonen verfolgte.
Beide Studien wurden von einer bahnbrechenden Forschung aus den frühen 1980er Jahren inspiriert: der ersten – und bislang einzigen – vollständigen Karte der tierischen Entwicklung. Der britische Biologe John Sulston beobachtete ausschließlich mit Hilfe eines Mikroskops jede einzelne Zelle des Fadenwurms Caenorhabditis elegans ( ), während sich das Tier aus einer einzigen Eizelle zum ausgewachsenen Tier entwickelte, mit genau 959 somatischen, also vollständig differenzierten Zellen.
Bei den meisten anderen Tieren, insbesondere bei Säugetieren, ist es nicht möglich, die Zelllinie auf diese Weise nachzuverfolgen, sagt Jay Shendure, Genomforscher an der University of Washington und Leiter einer der neuen Studien. der C. elegans ist durchsichtig, und jeder einzelne Wurm entwickelt sich genau gleich: Dieselben 959 Zellen folgen dem unveränderlichen Muster der Zellteilungen. Bei Säugetieren wie Mäusen jedoch – bei denen die Entwicklung verborgen ist und die Zellzahl in die Milliarden geht – beeinflussen äußere Signale, wie beispielsweise Wachstumsfaktoren, das Schicksal der Zellen, etwa ob sie letztendlich in die Lunge oder in die Leber gelangen.
Laut Shendure ist eine der zentralen Fragen der Biologie, wie diese Zufälligkeit Individuen einer Art hervorbringen kann, die im Großen und Ganzen die gleiche Gestalt aufweisen. „Zwillinge sehen gleich aus, und auch andere Menschen ähneln sich weitgehend, obwohl sich Zwillinge im Rahmen sehr unterschiedlicher Zellteilungsprozesse entwickeln“, sagt der Experte.
Shendure beschäftigte sich erstmals um das Jahr 2016 mit dieser Frage, als er mit seinem Team eine auf der CRISPR-Geneditierungstechnologie basierende Methode entwickelte, mit der „Barcodes“ – also Genbearbeitungen an bestimmten Stellen – in die Zellen der sich entwickelnden Zebrafische einbrachte. Anschließend überprüfte das Team mittels DNA-Sequenzierung, welche Barcodes in den verschiedenen Zellen vorhanden waren, und leitete daraus Rückschlüsse auf die Beziehungen zwischen den Zellen ab.
Doch diese CRISPR-basierten „Herkunftsnachweise“ können die Zellen schädigen, wenn sie im Laufe der Entwicklung zu vielen Veränderungen ausgesetzt sind, sagt Jonathan Weissman, Molekularbiologe am Whitehead-Institut, der das andere Team leitete. Um diese Probleme zu beseitigen, wandten die von Shendure und Weissman geleiteten Teams eine präzisere und weniger schädliche Technik an, das sogenannte „Prime-Editing“, um die Veränderungen einzubauen, während sich die Zellen im Verlauf der Embryonalentwicklung teilten.
Shendures Team nahm eine befruchtete Maus-Eizelle und wandte an ihr diese als „DNA-Schreibmaschine“ bezeichnete Technik an, die während der Zellteilung aufeinanderfolgende, unauslöschliche genetische Markierungen an bestimmten Stellen des Genoms anbringt. Die Eizelle wurde anschließend einer Maus implantiert. Nach zwei Wochen, als der Embryo bereits die wichtigsten Organsysteme ausgebildet hatte, lasen die Forscher die vom „DNA-Schreibgerät“ vorgenommenen Veränderungen aus und konnten die Verbindungen zwischen 1,3 Millionen modifizierten Zellen – etwa 10 % der Gesamtzellzahl des Embryos – rekonstruieren.
Weissmans Team entwickelte eine ähnliche Methode für gentechnisch veränderte embryonale Stammzellen von Mäusen, die als „PE-Tracking“ bezeichnet wurde und mithilfe von Prime-Editing die einzelnen Zellteilungen aufzeichnet. Die Forscher analysierten die aus diesen Zellen erzeugten Mausembryonen, während der Embryo sich vom Zellklumpen zu dem Stadium entwickelte, in dem die Organbildung begann. In 14 Embryonen kartierten sie mehr als 1,4 Millionen Verbindungen zwischen den Zellen.
Beide Teams bestimmten auch die Identität der Zellen der Embryonen – beispielsweise, ob es sich um Gehirn- oder Knochenvorläuferzellen handelte –, indem sie die mRNA-Transkripte beobachteten, um festzustellen, welche Gene in ihnen aktiv waren. Auf der Grundlage dieser Informationen zeigte Shendures Team, dass die ersten beiden Tochterzellen – die nach der ersten Teilung der Eizelle entstanden waren – einen ähnlichen Entwicklungsweg verfolgten und zu denselben Zelltypen beitrugen. Weissmans Team stellte hingegen fest, dass in jedem Mausembryo nur wenige hundert neurale Vorläuferzellen das Gehirn bilden. Dies deutet darauf hin, dass die Entwicklung einem überraschend reproduzierbaren Weg folgt, sagt William Colgan, Computational Biologe am Whitehead-Institut und Mitautor der Studie „ “ (Cell).
