Eine Zellkarte rekonstruiert die zeitliche Entwicklung des Mausembryos

Von Momentaufnahmen zu einer Zellgeschichte

Über Jahrzehnte hinweg wurde die Embryonalentwicklung anhand einzelner Momente beobachtet: der Bildung einer Gehirnstruktur, der Formveränderung des Herzens oder dem Auftreten von Zellen des Nervensystems. Eine Studie aus dem Labor des MIT-Professors Jonathan Weissman schlägt einen umfassenderen Blick vor: Sie rekonstruiert, wie sich Zellen teilen und Gewebe und Organe hervorbringen, während sich ein Mausembryo entwickelt.

Laut der von MIT veröffentlichten Meldung verfolgte das Team die Abstammungsgeschichte von mehr als einer Million Zellen. Die Arbeit, die am 8. Oktober in Cell veröffentlicht wurde, entstand in Zusammenarbeit mit der Gruppe von Zachary Smith an der Yale University und dem Max-Planck-Institut für molekulare Genetik. Die Rekonstruktion verbindet die Verwandtschaftsbeziehungen zwischen Zellen mit Daten darüber, welche Gene aktiv waren und wo sich die Zellen im Embryo befanden.

Das Ergebnis ist eine Art Karte oder Film der Entwicklung: Sie zeigt nicht nur, wo manche Zellen schließlich landen, sondern ermöglicht auch zu untersuchen, wann sie beginnen, sich auf bestimmte Entwicklungswege festzulegen. MIT beschreibt die Analyse von Embryonen, die zu mehreren Entwicklungszeitpunkten entnommen wurden; so ließ sich verfolgen, wann sich die Zellen begannen, auf bestimmte Entwicklungsziele auszurichten. Außerdem untersuchte das Team zeitlich nahe Entwicklungsstadien und mehrere Embryonen pro Stadium. Diese Probenahme ermöglichte den Vergleich, wie beständig Zellen von einem Embryo zum anderen ähnlichen Entwicklungsverläufen folgen.

Wie Abstammungslinien rekonstruiert werden

Das eingesetzte Werkzeug namens PEtracer führt kleine, vererbbare Veränderungen in die DNA ein. Wenn sich eine Zelle teilt, können diese Veränderungen an ihre Nachkommen weitergegeben werden. Durch das spätere Auslesen rekonstruieren die Forschenden, welche Zellen von gemeinsamen Vorfahren abstammen, und ordnen diese Informationen in einem Abstammungsbaum. Durch die Kombination mit der Genaktivität und dem Standort der Zellen kommen weitere Dimensionen des Entwicklungsverlaufs hinzu.

Der Maßstab ist wichtig. In den 1980er Jahren zeichneten Forschende die Entwicklung von Caenorhabditis elegans, einem durchsichtigen Wurm mit rund 1.000 Zellen, durch mikroskopische Beobachtung nach. Eine ähnliche Strategie auf Säugetiere auszuweiten, bringt andere Schwierigkeiten mit sich: Ihre Embryonen haben sehr viel mehr Zellen, entwickeln sich in der Gebärmutter und folgen laut der Beschreibung von MIT keinem vollständig vorbestimmten Plan.

Die Studie wurde auch in einem Zusammenhang verwandter Fortschritte veröffentlicht. MIT berichtet, dass ein weiteres Team unter der Leitung von Jay Shendure an der University of Washington zeitgleich in Science eine Arbeit veröffentlichte, die eine verwandte Technik namens DNA Typewriter verwendet, um Zellteilungen in Mausembryonen aufzuzeichnen. Laut dem Vergleich von MIT untersuchte Weissmans Team zeitlich näher beieinanderliegende Stadien und mehrere Embryonen pro Stadium. Dadurch ließ sich genauer beobachten, wie sich der Prozess entwickelt, und die Beständigkeit der Entwicklungsverläufe vergleichen.

Dieser Vergleich fasst die Angaben aus der MIT-Quelle zusammen; er ist keine unabhängige Bewertung der Methoden oder ihrer Ergebnisse.

Welche Fragen die Karte aufwerfen helfen kann

Indem Zellgeschichten zusammengeführt werden, die zuvor möglicherweise getrennt untersucht wurden, ermöglicht die Karte, zu erforschen, wann sich Zellen auf bestimmte Entwicklungsziele festlegen, wie viele frühe Zellen zur Bildung eines Gewebes beitragen und wie sie schließlich an einem Organ beteiligt sind. Der beschriebene Nutzen besteht vorerst darin, eine Ressource zur Erforschung der Entwicklung von Säugetieren aus einer integrierten Perspektive bereitzustellen.

MIT nennt mögliche Anwendungen zur Erforschung von Geburtsfehlern und Krebs. Im ersten Fall könnte eine Karte der typischen Entwicklung dabei helfen, zu untersuchen, wann und wo Prozesse der Gewebe- und Organbildung von ihrem normalen Verlauf abweichen. Bei Krebs könnte die Verfolgung von Abstammungslinien dazu dienen, zu erforschen, wann Merkmale wie die Fähigkeit zur Ausbreitung oder die Resistenz gegen Behandlungen auftreten. Die Meldung stellt diese Möglichkeiten als Forschungsrichtungen dar, die das Werkzeug erleichtern könnte, nicht als bereits erzielte klinische Ergebnisse.

Auch die Stammzellforschung könnte davon profitieren. Die Idee ist, dass Kenntnisse über die Abfolge von Zellzuständen, die zu reifen und funktionsfähigen Zelltypen führt, Hinweise darauf geben könnten, wie sich diese Verläufe im Labor nachbilden lassen. MIT führt diese Möglichkeit als Ziel der Stammzellbiologie an; aus den verfügbaren Informationen geht nicht hervor, dass die Karte bereits Zellen mit therapeutischem Nutzen hervorgebracht hat.

Der allgemeine Ansatz besteht darin, genetische Informationen damit zu verknüpfen, wie sie im Verlauf der Zeit und im Raum genutzt werden. Wie MIT erklärt, liefert die Kenntnis des Genoms eine Liste von Bestandteilen, beschreibt für sich genommen jedoch nicht, wann und wo sie während der Entstehung eines Organismus zum Einsatz kommen. Die Karte soll beginnen, diese Abfolge in Mausembryonen zu beschreiben.

Umfang und Kontext

Die Arbeit befasst sich mit der Entwicklung von Mäusen und zeigt nicht, dass sich dieselben Entwicklungsverläufe unverändert beim Menschen wiederholen. Ebenso wenig belegt sie, dass die Methode Geburtsfehler verhindern, Krebs behandeln oder therapeutische Zelltypen herstellen kann: Dabei handelt es sich um potenzielle Anwendungen, die in der institutionellen Meldung genannt werden.

Die Verweise auf die National Science Foundation (NSF) liefern allgemeinen institutionellen Kontext, aber keine unabhängige Bestätigung dieser Entdeckung. Die NSF beschreibt ihre Unterstützung für wissenschaftliche und ingenieurwissenschaftliche Forschung, doch diese allgemeine Darstellung dokumentiert die PEtracer-Studie nicht. Ebenso befasst sich ihre Seite zu Materialforschungsprogrammen mit Materialien und ihren Anwendungen; sie liefert keine spezifischen Belege zur Embryonalentwicklung und bestätigt die von MIT mitgeteilten Ergebnisse nicht.