Forscher verfolgen den Stammbaum der Spinalneuronen

Forscher verfolgen den Stammbaum der Spinalneuronen

Neue Methoden zur Klassifizierung und Untersuchung von Rückenmarksneuronen könnten Therapien für Krankheiten oder Verletzungen beeinflussen

LA JOLLA – Nervenzellen des Rückenmarks, die sich durch den Körper verzweigen, ähneln Bäumen, deren Äste sich in alle Richtungen ausbreiten. Dieses Bild kann aber auch verwendet werden, um die Geschichte zu erzählen, wie diese Neuronen im Laufe der Entwicklungs- und Evolutionsgeschichte entstanden sind und ihre Aufgaben im Laufe der Zeit immer spezialisierter wurden. Salk-Forscher haben zum ersten Mal die Entwicklung von Rückenmarksneuronen anhand genetischer Signaturen verfolgt und aufgezeigt, wie sich verschiedene Subtypen der Zellen entwickelt haben und letztendlich dazu dienen können, unsere Körperbewegungen zu regulieren.

Die Ergebnisse, veröffentlicht in der Zeitschrift Forschung am 23. April 2021 bieten Forschern neue Möglichkeiten zur Klassifizierung und Markierung von Teilmengen von Rückenmarkszellen für weitere Untersuchungen, indem genetische Marker verwendet werden, die Zweige des Stammbaums der Zellen unterscheiden.

„Eine Studie wie diese bietet Wissenschaftlern die ersten molekularen Ansätze, um die Funktion von Rückenmarksneuronen viel präziser als je zuvor zu untersuchen“, sagt der leitende Autor der Studie Samuel Pfaff, Salk-Professor und Benjamin H. Lewis-Lehrstuhl. „Das hat auch Auswirkungen auf die Behandlung von Rückenmarksverletzungen.“

Spinale Neuronen sind für die Übertragung von Nachrichten zwischen dem Rückenmark und dem Rest des Körpers verantwortlich. Forscher, die spinale Neuronen untersuchen, haben die Zellen typischerweise in „Kardinalklassen“ eingeteilt, die beschreiben, wo im Rückenmark jeder Neuronentyp während der fetalen Entwicklung zum ersten Mal auftritt. Aber bei einem Erwachsenen haben Neuronen innerhalb einer Kardinalklasse unterschiedliche Funktionen und molekulare Eigenschaften. Es war schwierig, kleine Teilmengen dieser Zellen zu untersuchen, um ihre Vielfalt herauszuarbeiten. Das Verständnis dieser Teilmengenunterschiede ist jedoch von entscheidender Bedeutung, um Forschern zu helfen, zu verstehen, wie die Rückenmarksneuronen Bewegungen steuern und was bei neurogenerativen Erkrankungen oder Rückenmarksverletzungen schiefläuft.

„Es ist seit langem bekannt, dass die Kardinalklassen, so nützlich sie auch sind, bei der Beschreibung der Vielfalt der Neuronen im Rückenmark unvollständig sind“, sagt Peter Osseward, Doktorand im Pfaff-Labor und Co-Erstautor von die neue Arbeit, zusammen mit der ehemaligen Doktorandin Marito Hayashi, jetzt Postdoktorandin an der Harvard University.

Pfaff, Osseward und Hayashi wandten sich Einzelzell-RNA-Sequenzierungstechnologien zu, um Unterschiede darin zu analysieren, welche Gene in fast 7,000 verschiedenen Wirbelsäulenneuronen von Mäusen aktiviert wurden. Sie nutzten diese Daten, um Zellen in eng verwandte Cluster zu gruppieren, auf die gleiche Weise, wie Wissenschaftler verwandte Organismen in einem Stammbaum gruppieren könnten.

Das erste große Genexpressionsmuster, das sie sahen, unterteilte spinale Neuronen in zwei Zweige: sensorische Neuronen (die Informationen über die Umgebung über das Rückenmark übertragen) und motorische Neuronen (die motorische Befehle über das Rückenmark übertragen). Dies deutet darauf hin, dass einer der ersten Schritte in der Entwicklung des Rückenmarks in einem alten Organismus eine Arbeitsteilung der Rückenmarksneuronen in motorische und sensorische Rollen gewesen sein könnte, sagt Pfaff.

Als das Team die nächsten Zweige im Stammbaum analysierte, stellte es fest, dass sich die sensorischen Neuronen dann in erregende und hemmende Neuronen aufspalteten – eine Unterteilung, die beschreibt, wie das Neuron Informationen sendet. Doch als die Forscher motorische Neuronen untersuchten, fanden sie eine überraschendere Aufteilung: Die Zellen gruppierten sich aufgrund eines neuen genetischen Markers in zwei verschiedene Gruppen. Als das Team Zellen anfärbte, die zu jeder Gruppe im Rückenmark gehörten, wurde klar, dass die Marker Neuronen danach unterschieden, ob sie über Fern- oder Kurzstreckenverbindungen im Körper verfügten. Weitere Experimente ergaben, dass die genetischen Muster, die für Eigenschaften mit großer und kurzer Reichweite spezifisch sind, allen getesteten Kardinalklassen gemeinsam waren.

„Die Annahme auf diesem Gebiet war, dass die genetischen Regeln zur Spezifizierung von Neuronen mit großer Reichweite gegenüber Neuronen mit kurzer Reichweite für jede Kardinalklasse spezifisch sein würden“, sagen Osseward und Hayashi. „Es war also wirklich interessant zu sehen, dass es tatsächlich über die Kardinalklasse hinausgeht.“

Die Beobachtung war nicht nur interessant, sie erwies sich auch als nützlich. Früher waren möglicherweise viele verschiedene genetische Tags erforderlich, um einen bestimmten Neuronentyp einzugrenzen, den ein Forscher untersuchen wollte. Die Verwendung dieser vielen Marker ist technisch anspruchsvoll und hindert Forscher weitgehend daran, jeweils nur einen Subtyp von Rückenmarksneuronen zu untersuchen.

Mit den neuen Regeln können nur zwei Tags – ein bisher bekannter Marker für die Kardinalklasse und der neu entdeckte genetische Marker für Eigenschaften mit großer oder kurzer Reichweite – verwendet werden, um sehr spezifische Neuronenpopulationen zu kennzeichnen. Dies ist beispielsweise nützlich, um zu untersuchen, welche Gruppen von Neuronen von einer Rückenmarksverletzung oder einer neurodegenerativen Erkrankung betroffen sind und wie diese bestimmten Zellen letztendlich nachwachsen können.

Der evolutionäre Ursprung des in der neuen Arbeit untersuchten Stammbaums der Spinalneuronen ist wahrscheinlich sehr alt, da die von ihnen entdeckten genetischen Marker bei vielen Arten konserviert sind, sagen die Forscher. Obwohl sie keine Spinalneuronen von anderen Tieren als Mäusen untersuchten, gehen sie davon aus, dass die gleichen genetischen Muster bei den meisten lebenden Tieren mit Rückenmark zu sehen sein würden.

„Das ist ursprünglicher Stoff, der für alles relevant ist, von Amphibien bis hin zu Menschen“, sagt Pfaff. „Und im Kontext der Evolution sagen uns diese genetischen Muster, welche Art von Neuronen möglicherweise in einigen der allerersten Organismen gefunden wurden.“

Weitere Autoren der Studie waren Neal Amin, Benjamin Temple, Bianca Barriga, Lukas Bachmann, Fernando Beltran, Miriam Gullo, Robert Clark und Shawn Driscoll von Salk; und Jeffrey Moore von der Harvard University. Die Arbeit wurde durch Zuschüsse des Howard Hughes Medical Institute, der Christopher and Dana Reeve Foundation, des Sol Goldman Charitable Trust und der National Institutes of Health unterstützt.

DOI: 10.1126/science.abe0690