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Viermal so viele Informationen pro Zelle

28.06.2021 / Forscher*innen des BIH in der Charité, des MDC sowie aus den USA und Japan haben die Analyse von Einzelzellen auf eine neue Stufe der Präzision gehoben: Sie kombinierten Methoden, die mRNA, strukturelle Zugänglichkeit der DNA, Proteine sowie Mutationen in mitochondrialer DNA bestimmen, schreiben sie in „Nature Biotechnology“.

Bislang verstanden Biolog*innen unter der Single-Cell-Analyse insbesondere die Bestimmung des „messenger RNA“ (mRNA)-Profils einzelner Zellen. Diese Botenstoffe überbringen die Information aus dem Erbgut im Zellkern, der DNA, in das Zellplasma, wo die mRNA in Eiweiß (Protein) übersetzt wird. In jeder Zelle ist der Gehalt und die Zusammensetzung der mRNA individuell verschieden. So werden in Nervenzellen andere Proteine benötigt als in Leberzellen und entsprechend andere Gene auf der DNA abgelesen und in mRNA umgeschrieben. 

„Das Bild von der Zelle allein auf Basis des mRNA-Profils ist jedoch unvollständig“, erklärt Dr. Leif S. Ludwig, Leiter der Emmy-Noether-Nachwuchsgruppe „Stammzelldynamiken und mitochondriale Genomik“ am Berlin Institute of Heath (BIH) und Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin in der Helmholtz-Gemeinschaft (MDC), und einer der leitenden Autoren der nun veröffentlichten Arbeit. Die Gruppe gehört seit kurzem dem gemeinsamen Forschungsfokus „Single-Cell-Ansätze für die personalisierte Medizin“ an, den das BIH in der Charité gemeinsam mit dem MDC und der Charité gegründet hat. „Es werden nicht immer alle mRNA-Moleküle 1:1 in Protein übersetzt und nicht für jedes Gen ist die Menge an mRNA gut messbar. Wenn wir nun gleichzeitig die Proteinmenge bestimmen können, gibt uns das ein umfassenderes Bild von den Vorgängen in der Zelle.“ 

Verstehen, warum die Zelle manche Gene häufiger abliest
Gemeinsam mit einem internationalen Team von Kolleg*innen aus den USA und Japan bestimmten die Wissenschaftler*innen neben der mRNA und Protein-Profilen auch die „Zugänglichkeit“ der DNA in einzelnen Zellen. Denn das Erbgut der Zelle liegt nicht ungeschützt im Kern, sondern bildet einen dichten Komplex namens Chromatin: Stellen, an denen das Chromatin lockerer vorliegt, können leichter in mRNA abgeschrieben werden, besonders dichte Stellen werden kaum benutzt. „Daraus können wir erkennen, ob die DNA-Struktur mit der mRNA-Menge zusammenhängt, und können so besser verstehen, warum manche Gene häufiger als andere abgelesen werden“, sagt der promovierte Biochemiker und Humanmediziner. 

Mit seiner Gruppe, die am Berliner Institut für medizinische Systembiologie (BIMSB) des MDC angesiedelt ist, erforscht Leif S. Ludwig zudem das Erbgut von Mitochondrien – den „Kraftwerken“ der Zelle – welche über eine eigene DNA verfügen. So untersuchen sie beispielsweise, wie sich Veränderungen in der mitochondrialen DNA auf Erkrankungen beim Menschen auswirken. „Es lag daher für uns nahe, auch die mitochondriale DNA in die Single-Cell-Analyse mit einzubeziehen“, sagt Leif S. Ludwig. Damit sind die Wissenschaftler*innen die ersten weltweit, die bei der Einzelzellanalyse vier Parameter gleichzeitig untersuchen können. Und das ist wichtig, auch für die Medizin. „Je genauer es uns gelingt, zum Beispiel Krebszellen unter die Lupe zu nehmen, desto besser verstehen wir, was in der Zelle falsch läuft. Und können damit auch die Behandlung präzise anpassen.“ 

Die klinische Anwendung seiner Ergebnisse verfolgt er unter anderem gemeinsam mit seinen klinischen Partnern an der Charité, den Direktoren der Medizinischen Kliniken mit Schwerpunkt Hämatologie, Onkologie und Tumorimmunologie, Professor Lars Bullinger am Charité Campus Virchow-Klinikum (CVK) sowie Professor Ulrich Keller am Charité Campus Benjamin Franklin (CBF). 

Literatur
E. P. Mimitou et al. (2021): „Scalable, multimodal profiling of chromatin accessibility, gene expression and protein levels in single cells“. Nature Biotechnology, DOI:  10.1038/s41587-021-00927-2 

Weiterführende Informationen
AG Ludwig
Single-Cell-Ansätze für die personalisierte Medizin (Forschungsfokus mit dem BIH)
Einzelzellanalyse am MDC

Über das Berlin Institute of Health (BIH) in der Charité
Die Mission des Berlin Institute of Health (BIH) ist die medizinische Translation: Erkenntnisse aus der biomedizinischen Forschung werden in neue Ansätze zur personalisierten Vorhersage, Prävention, Diagnostik und Therapie übertragen, umgekehrt führen Beobachtungen im klinischen Alltag zu neuen Forschungsideen. Ziel ist es, einen relevanten medizinischen Nutzen für Patient*innen und Bürger*innen zu erreichen. Dazu etabliert das BIH als Translationsforschungsbereich in der Charité ein umfassendes translationales Ökosystem, setzt auf ein organübergreifendes Verständnis von Gesundheit und Krankheit und fördert einen translationalen Kulturwandel in der biomedizinischen Forschung. Das BIH wurde 2013 gegründet und wird zu 90 Prozent vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und zu zehn Prozent vom Land Berlin gefördert. Die Gründungsinstitutionen Charité – Universitätsmedizin Berlin und Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin in der Helmholtz-Gemeinschaft (MDC) waren bis 2020 eigenständige Gliedkörperschaften im BIH. Seit 2021 ist das BIH als so genannte dritte Säule in die Charité integriert, das MDC ist Privilegierter Partner des BIH.

Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin (MDC)
Das Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin in der Helmholtz-Gemeinschaft gehört zu den international führenden biomedizinischen Forschungszentren. Nobelpreisträger Max Delbrück, geboren in Berlin, war ein Begründer der Molekularbiologie. An den MDC-Standorten in Berlin-Buch und Mitte analysieren Forscher*innen aus rund 60 Ländern das System Mensch – die Grundlagen des Lebens von seinen kleinsten Bausteinen bis zu organübergreifenden Mechanismen. Wenn man versteht, was das dynamische Gleichgewicht in der Zelle, einem Organ oder im ganzen Körper steuert oder stört, kann man Krankheiten vorbeugen, sie früh diagnostizieren und mit passgenauen Therapien stoppen. Die Erkenntnisse der Grundlagenforschung sollen rasch Patient*innen zugutekommen. Das MDC fördert daher Ausgründungen und kooperiert in Netzwerken. Besonders eng sind die Partnerschaften mit der Charité – Universitätsmedizin Berlin im gemeinsamen Experimental and Clinical Research Center (ECRC) und dem Berlin Institute of Health (BIH) in der Charité sowie dem Deutschen Zentrum für Herz-Kreislauf-Forschung (DZHK). Am MDC arbeiten 1600 Menschen. Finanziert wird das 1992 gegründete MDC zu 90 Prozent vom Bund und zu 10 Prozent vom Land Berlin. www.mdc-berlin.de

 

Quelle: PRESSEMITTEILUNG des BIH in der Charité und des MDC
https://www.mdc-berlin.de/de/news