Salk-Wissenschaftler entwickeln Technik zur Aufdeckung von
epigenetische Merkmale von Zellen im Gehirn

Salk-Wissenschaftler entwickeln Technik zur Entdeckung epigenetischer Merkmale von Zellen im Gehirn

Der Ansatz ermöglicht die gleichzeitige Untersuchung von zwei Ebenen der Genregulation in einzelnen Zellen, was zur Klärung der Frage beitragen kann, wie genetische Variationen zu menschlichen Krankheiten beitragen

LA JOLLA - Der präfrontale Kortex des Gehirns, der uns die Fähigkeit verleiht, Probleme zu lösen und vorausschauend zu planen, besteht aus Milliarden von Zellen. Das Verständnis der großen Vielfalt an Zelltypen in dieser wichtigen Region, von denen jeder einzigartige genetische und molekulare Eigenschaften aufweist, war bisher jedoch eine Herausforderung.

Die Wissenschaftler wissen, dass ein großer Teil dieser Vielfalt auf die Epigenetik zurückzuführen ist (z. B. die chemischen Markierungen auf der DNA) und wie sich epigenetische Merkmale letztlich in den Chromosomen zusammenfalten und die Expression von Genen beeinflussen.

Jetzt haben Salk-Forscher eine Methode entwickelt, mit der sie gleichzeitig analysieren können, wie Chromosomen zusammen mit ihren epigenetischen Eigenschaften in einzelnen menschlichen Gehirnzellen verdichtet sind. Ein Team von Wissenschaftlern aus den Labors von Ecker und Dixon kombinierte zwei verschiedene Analysetechniken zu einer Methode, die es ihnen ermöglichte, genregulatorische Elemente in verschiedenen Zelltypen zu identifizieren. Die Arbeit, die in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Natur Methoden am 9. September 2019, ebnet den Weg zu einem neuen Verständnis dafür, wie manche Zellen dysreguliert werden und Krankheiten verursachen.

“Wir haben diesen neuen und besseren Ansatz zur Analyse der Genome einzelner Zellen auf gesundes Hirngewebe angewandt”, sagt Salk-Professor und Howard Hughes Medical Institute Forscher Joseph Ecker, “Der nächste Schritt ist der Vergleich von normalem und erkranktem Gewebe.”

Die Art und Weise, wie die DNA in den Chromosomen genannten Strukturen im Zellkern verpackt ist, kann eine entscheidende Rolle für die Zellfunktionen spielen. Und wie die DNA letztlich gefaltet wird, hängt davon ab, welche DNA-Abschnitte miteinander interagieren müssen und welche für die zellulären Maschinen leicht zugänglich sein müssen. Die Struktur der Chromosomen wirkt wie eine Art zellulärer Fingerabdruck: Obwohl verschiedene Zelltypen die gleiche DNA-Sequenz haben, weisen sie unterschiedliche Chromosomenstrukturen auf, um diese DNA zu organisieren.

Gleichzeitig steuern chemische (epigenetische) Veränderungen an der DNA selbst - wie das Anfügen von Methylgruppen an einen DNA-Strang - auch den Zeitpunkt und den Umfang der Genexpression. Wenn eine Methylgruppe an ein Stück DNA angeheftet wird, wird die Expression eines Gens in der Regel blockiert.

In der Vergangenheit mussten die Forscher getrennte Methoden anwenden, um die Chromosomenstrukturen und Methylierungsmuster einzelner Zellen zu bestimmen. Im Juli berichtete Eckers Team zum Beispiel, dass es ein neues Werkzeug entwickelt hat, das Zelltypen allein anhand der Chromosomenstruktur zu unterscheiden. Und im Jahr 2017, sie sortierte Gehirnzellen von Mäusen und Menschen auf der Grundlage ihrer Methylierungsmuster.

Bei getrennten Experimenten können die Forscher jedoch nicht feststellen, wie Chromosomenstruktur und Methylierungsmuster zusammenhängen könnten. Es war unklar, ob jede Untergruppe von Chromosomenstrukturen einer Untergruppe von Methylierungsmustern entspricht. Oder ob die beiden Datensätze, wenn sie kombiniert werden, nuanciertere Subtypen von Zellen offenbaren.

Bei ihrer neuen Methode, der so genannten Einzelkern-Methyl-3C-Sequenzierung (sn-m3C-seq), nimmt das Salk-Team von jeder einzelnen Zelle einen “Double-Dip” vor und sammelt gleichzeitig Daten zur Chromosomenstruktur und zur Methylierung. Während die manuelle Durchführung des Prozesses langsam und umständlich wäre, hat das Team die sn-m3C-seq automatisiert, so dass sie problemlos Tausende von Zellen untersuchen können. Die Entwicklung neuer Ansätze für den Umgang mit Zellen in Verbindung mit neuen Berechnungsmethoden für die Datenverarbeitung ermöglichte diese neue Technik.

Das Team sagt, dass die Entwicklung einer Methode, die diese Merkmale in einzelnen Zellen untersucht, es den Wissenschaftlern ermöglicht, bestimmte “analytische Tricks” anzuwenden, um Gewebeproben direkt zu untersuchen und die Chromosomenstruktur und die DNA-Methylierung in allen verschiedenen Zelltypen des Gewebes zu bestimmen. “Wir wissen, dass diese Merkmale zwischen den Zelltypen stark variieren können, und es ist wertvoll, beide Arten von Informationen aus denselben Zellen zusammen zu haben”, sagt das Team. Jesse Dixon, Helmsley-Salk Fellow und Co-Korrespondenzautorin. “Es eröffnet uns wirklich die Möglichkeit, zu verstehen, welche regulatorischen Sequenzen welche Gene in einer Vielzahl von Zelltypen und Geweben beeinflussen.”

Zu wissen, welche regulatorischen Sequenzen welche Gene regulieren, hat wichtige Auswirkungen auf das Verständnis, wie genetische Variationen zu menschlichen Krankheiten beitragen können. So liegt ein Großteil der genetischen Variationen, die zu häufigen menschlichen Gehirnerkrankungen wie Schizophrenie und Depression sowie zu anderen Krankheiten wie Herzerkrankungen beitragen, in Regionen unseres Genoms, die weit von den Genen entfernt sind. Die Forscher sagen, dass sie durch die Untersuchung der Chromosomenfaltung in echten menschlichen Geweben und die Auflösung verschiedener Zelltypen mit diesen Methoden krankheitsverursachende genetische Varianten mit den Genen, die sie regulieren, in Verbindung bringen können, was ihnen mehr darüber verrät, warum bestimmte Varianten zu Krankheiten beitragen, und Erkenntnisse darüber liefert, wie man sie am besten behandeln kann.

Um sn-m3C-seq zu testen, wendeten Ecker, Dixon und Kollegen die Methode auf mehr als 4.200 menschliche Zellen des präfrontalen Kortex an. Während die Verwendung von Daten aus der Chromosomenstruktur allein nur eine grobe Trennung von Neuronen und Nicht-Neuronen ermöglichte, konnten die Forscher durch die Kombination der Ansätze genregulatorische Elemente in verschiedenen Zelltypen identifizieren und dann die Chromosomenstrukturen in jedem Zelltyp weiter untersuchen.

Außerdem stellte das Team Beziehungen zwischen den beiden Regulierungsebenen fest, die es in Zukunft genauer untersuchen will. Nachdem die Methode nun etabliert ist, möchten sie sie auf weitere Arten von gesundem und krankem Gewebe anwenden.

Entscheidend für diese Bemühungen ist ein Zuschuss in Höhe von vier Millionen Dollar, den Dixon und Ecker am 6. September 2019 vom National Genome Research Institute der National Institutes of Health erhalten haben und der ihre Studien zur Genregulation in menschlichen Geweben und bei Krankheiten wie Krebs erheblich erleichtern wird.

Die Co-Erstautoren der Arbeit waren Dong-Sung Lee, Chongyuan Luo und Jingtian Zhou, alle vom Salk Institute. Weitere Autoren waren Sahaana Chandran, Angeline Rivkin, Anna Bartlett, Joseph Nery, Conor Fitzpatrick und Carolyn O'Connor, ebenfalls vom Salk Institute.

Die Arbeit und die beteiligten Forscher wurden durch das Howard Hughes Medical Institute, Zuschüsse der National Institutes of Health, den Leona M. and Harry B. Helmsley Charitable Trust und den Salk Institute Innovation Research Fund unterstützt.

DOI: 10.1038/s41592-019-0547-z