Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Algorithmen eröffnen Einblicke in die Zellentwicklung

31.08.2016

Durch RNA-Sequenzierung können Forscher messen, welche Gene in jeder einzelnen Zelle einer Probe abgelesen werden. Eine neue statistische Methode erlaubt es, so aus einem Zellgemisch unterschiedliche Entwicklungsprozesse herauszulesen, die nebeneinander ablaufen. Das berichten Forscherinnen und Forscher des Helmholtz Zentrums München in Zusammenarbeit mit Kollegen der Technischen Universität München in ‚Nature Methods‘.

Die Zellbiologie befasst sich heutzutage oft nicht mehr nur mit statischen Zuständen, sondern möchte vielmehr die dynamische Entwicklung von Zellen verstehen. Ein Beispiel dafür ist die Bildung verschiedener Typen von Blutzellen aus ihren Vorläufern, den Blutstammzellen. Um zu verstehen, wie dieser Prozess genetisch gesteuert wird, analysieren Wissenschaftler, welche Gene abgelesen werden - das sogenannte Transkriptom.


Entwicklung eines Verband von Blutstammzellen zu unterschiedlichen Zelltypen, Quelle: HMGU

„Dass wir heutzutage sogar das Transkriptom von Einzelzellen bestimmen können, ist für mich immer noch sehr erstaunlich“, sagt Erstautorin Laleh Haghverdi. „Vor allem, wenn man sich klar macht, dass eine typische Zelle nur wenige Billionstel Gramm RNA* in sich trägt.“ Die Verfügbarkeit dieser Daten beginnt nun, viele Forschungsfelder zu revolutionieren, verlangt aber auch neue statistische Methoden, um sie richtig zu interpretieren.

„So starten beispielsweise nie alle Zellen einer Probe gleichzeitig ihre Entwicklung und brauchen auch unterschiedlich lange. Daher haben wir es immer mit einem dynamischen Gemisch zu tun“, so die Doktorandin vom Institute of Computational Biology (ICB) am Helmholtz Zentrum München weiter. „Daraus die Abfolge von mehreren Schritten eines Prozesses zu konstruieren, ist enorm schwer, zumal die Zellen nur für eine Messung zur Verfügung stehen.“

Willkommen im Pseudozeitalter

Um also Entwicklungsprozesse aus der Messung eines einzigen Zeitpunkts, quasi einer Schnappschussmessung, zu entschlüsseln, entwickelten die Forscherinnen und Forscher um ICB-Direktor Prof. Dr. Dr. Fabian Theis einen Algorithmus namens Diffusion Pseudotime zur Interpretation von Einzelzell-Sequenzierungsdaten.

Dieser ordnet Zellen auf einer virtuellen Zeitachse – der Pseudozeit – entlang derer sie kontinuierliche Veränderungen im Transkriptom aufweisen. Dadurch lässt sich rekonstruieren, welche Gene nacheinander abgelesen werden. So können die Forscher grafisch darstellen, wie sich die Entwicklungspfade unterschiedlicher Zelltypen verzweigen (vgl. Bild).

„Wir können beispielsweise zeigen, wie sich ein relativ einheitlicher Verband von Blutstammzellen zu unterschiedlichen Zelltypen entwickelt“, erklärt Studienleiter Theis. „Während die einen zu roten Blutkörperchen werden, differenzieren andere zu endothelartigen Zellen. Diese Schicksale können wir anhand der Transkriptom-Daten der Einzelzellen nachzeichnen.“

Zudem erhalten die Wissenschaftler Information darüber, welche Genschalter hinter den Entwicklungen stecken. Der relativ diffuse Mix von Zellen, die sich auf verschiedenen Etappen ihrer Entwicklung befanden, kann so also am Rechner entwirrt werden und erlaubt nach der Analyse ein klares Bild auf die ablaufenden Einzelschritte.

Doch wenn es nach den Forschern geht, soll das nur der Anfang gewesen sein, denn die Prozesse der Blutbildung sind schon relativ gut verstanden. Sie dienten nur als Testobjekt für die Leistungsfähigkeit der Methode. „Künftig wollen wir uns vor allem Prozesse anschauen, die bisher unverstanden oder möglicherweise noch gar nicht entdeckt sind“, so Theis.**

Weitere Informationen

Hintergrund:
* RNA steht für Ribonukleinsäure. Bestimmte RNAs bilden die Abschrift von Genen und sind damit das Ausgangsmaterial für die Transkriptomanalysen.

** Unter anderem haben die Wissenschaftler in Zusammenarbeit mit experimentellen Instituten am Helmholtz Zentrum die Entwicklung von Zellen des Gehirns oder der Insulin produzierenden Betazellen in der Bauchspeicheldrüse auf der Agenda. Sie hoffen, dass durch das Verständnis für die Bildung einzelner Zellgruppen auch Möglichkeiten entstehen, in diese Prozesse einzugreifen - beispielsweise wenn sie krankheitsbedingt gestört sind.

Original-Publikation:
Haghverdi, L. et al. (2016): Diffusion pseudotime robustly 1 reconstructs lineage branching, Nature Methods, DOI: 10.1038/nmeth.3971
Link: http://www.nature.com/nmeth/journal/vaop/ncurrent/full/nmeth.3971.html?WT.feed_n...

Das Helmholtz Zentrum München verfolgt als Deutsches Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt das Ziel, personalisierte Medizin für die Diagnose, Therapie und Prävention weit verbreiteter Volkskrankheiten wie Diabetes mellitus und Lungenerkrankungen zu entwickeln. Dafür untersucht es das Zusammenwirken von Genetik, Umweltfaktoren und Lebensstil. Der Hauptsitz des Zentrums liegt in Neuherberg im Norden Münchens. Das Helmholtz Zentrum München beschäftigt rund 2.300 Mitarbeiter und ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, der 18 naturwissenschaftlich-technische und medizinisch-biologische Forschungszentren mit rund 37.000 Beschäftigten angehören. http://www.helmholtz-muenchen.de

Das Institut für Computational Biology (ICB) führt datenbasierte Analysen biologischer Systeme durch. Durch die Entwicklung und Anwendung bioinformatischer Methoden werden Modelle zur Beschreibung molekularer Prozesse in biologischen Systemen erarbeitet. Ziel ist es, innovative Konzepte bereitzustellen, um das Verständnis und die Behandlung von Volkskrankheiten zu verbessern. http://www.helmholtz-muenchen.de/icb

Die Technische Universität München (TUM) ist mit mehr als 500 Professorinnen und Professoren, rund 10.000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern und 39.000 Studierenden eine der forschungsstärksten Technischen Universitäten Europas. Ihre Schwerpunkte sind die Ingenieurwissenschaften, Naturwissenschaften, Lebenswissenschaften und Medizin, ergänzt um Wirtschafts- und Bildungswissenschaften. Die TUM handelt als unternehmerische Universität, die Talente fördert und Mehrwert für die Gesellschaft schafft. Dabei profitiert sie von starken Partnern in Wissenschaft und Wirtschaft. Weltweit ist sie mit einem Campus in Singapur sowie Verbindungsbüros in Brüssel, Kairo, Mumbai, Peking, San Francisco und São Paulo vertreten. An der TUM haben Nobelpreisträger und Erfinder wie Rudolf Diesel, Carl von Linde und Rudolf Mößbauer geforscht. 2006 und 2012 wurde sie als Exzellenzuniversität ausgezeichnet. In internationalen Rankings gehört sie regelmäßig zu den besten Universitäten Deutschlands. http://www.tum.de

Ansprechpartner für die Medien:
Abteilung Kommunikation, Helmholtz Zentrum München - Deutsches Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt (GmbH), Ingolstädter Landstr. 1, 85764 Neuherberg - Tel. +49 89 3187 2238 - Fax: +49 89 3187 3324 - E-Mail: presse@helmholtz-muenchen.de

Fachliche Ansprechpartner:
Prof. Dr. Dr. Fabian Theis, Helmholtz Zentrum München - Deutsches Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt (GmbH), Institute of Computational Biology, Ingolstädter Landstr. 1, 85764 Neuherberg - Tel.: +49 89 3187 4030 - E-Mail: fabian.theis@helmholtz-muenchen.de

Weitere Informationen:

https://www.helmholtz-muenchen.de/aktuelles/uebersicht/pressemitteilungnews/arti...

Soja Opitz | Helmholtz Zentrum München - Deutsches Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Sollbruchstellen im Rückgrat - Bioabbaubare Polymere durch chemische Gasphasenabscheidung
02.12.2016 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

nachricht "Fingerabdruck" diffuser Protonen entschlüsselt
02.12.2016 | Universität Leipzig

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Greifswalder Forscher dringen mit superauflösendem Mikroskop in zellulären Mikrokosmos ein

Das Institut für Anatomie und Zellbiologie weiht am Montag, 05.12.2016, mit einem wissenschaftlichen Symposium das erste Superresolution-Mikroskop in Greifswald ein. Das Forschungsmikroskop wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Land Mecklenburg-Vorpommern finanziert. Nun können die Greifswalder Wissenschaftler Strukturen bis zu einer Größe von einigen Millionstel Millimetern mittels Laserlicht sichtbar machen.

Weit über hundert Jahre lang galt die von Ernst Abbe 1873 publizierte Theorie zur Auflösungsgrenze von Lichtmikroskopen als ein in Stein gemeißeltes Gesetz....

Im Focus: Durchbruch in der Diabetesforschung: Pankreaszellen produzieren Insulin durch Malariamedikament

Artemisinine, eine zugelassene Wirkstoffgruppe gegen Malaria, wandelt Glukagon-produzierende Alpha-Zellen der Bauchspeicheldrüse (Pankreas) in insulinproduzierende Zellen um – genau die Zellen, die bei Typ-1-Diabetes geschädigt sind. Das haben Forscher des CeMM Forschungszentrum für Molekulare Medizin der Österreichischen Akademie der Wissenschaften im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit mit modernsten Einzelzell-Analysen herausgefunden. Ihre bahnbrechenden Ergebnisse werden in Cell publiziert und liefern eine vielversprechende Grundlage für neue Therapien gegen Typ-1 Diabetes.

Seit einigen Jahren hatten sich Forscher an diesem Kunstgriff versucht, der eine simple und elegante Heilung des Typ-1 Diabetes versprach: Die vom eigenen...

Im Focus: Makromoleküle: Mit Licht zu Präzisionspolymeren

Chemikern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es gelungen, den Aufbau von Präzisionspolymeren durch lichtgetriebene chemische Reaktionen gezielt zu steuern. Das Verfahren ermöglicht die genaue, geplante Platzierung der Kettengliedern, den Monomeren, entlang von Polymerketten einheitlicher Länge. Die präzise aufgebauten Makromoleküle bilden festgelegte Eigenschaften aus und eignen sich möglicherweise als Informationsspeicher oder synthetische Biomoleküle. Über die neuartige Synthesereaktion berichten die Wissenschaftler nun in der Open Access Publikation Nature Communications. (DOI: 10.1038/NCOMMS13672)

Chemische Reaktionen lassen sich durch Einwirken von Licht bei Zimmertemperatur auslösen. Die Forscher am KIT nutzen diesen Effekt, um unter Licht die...

Im Focus: Neuer Sensor: Was im Inneren von Schneelawinen vor sich geht

Ein neuer Radarsensor erlaubt Einblicke in die inneren Vorgänge von Schneelawinen. Entwickelt haben ihn Ingenieure der Ruhr-Universität Bochum (RUB) um Dr. Christoph Baer und Timo Jaeschke gemeinsam mit Kollegen aus Innsbruck und Davos. Das Messsystem ist bereits an einem Testhang im Wallis installiert, wo das Schweizer Institut für Schnee- und Lawinenforschung im Winter 2016/17 Messungen damit durchführen möchte.

Die erhobenen Daten sollen in Simulationen einfließen, die das komplexe Geschehen im Inneren von Lawinen detailliert nachbilden. „Was genau passiert, wenn sich...

Im Focus: Neuer Rekord an BESSY II: 10 Millionen Ionen erstmals bis auf 7,4 Kelvin gekühlt

Magnetische Grundzustände von Nickel2-Ionen spektroskopisch ermittelt

Ein internationales Team aus Deutschland, Schweden und Japan hat einen neuen Temperaturrekord für sogenannte Quadrupol-Ionenfallen erreicht, in denen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Von „Coopetition“ bis „Digitale Union“ – Die Fertigungsindustrien im digitalen Wandel

02.12.2016 | Veranstaltungen

Experten diskutieren Perspektiven schrumpfender Regionen

01.12.2016 | Veranstaltungen

Die Perspektiven der Genom-Editierung in der Landwirtschaft

01.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Parkinson-Krankheit und Dystonien: DFG-Forschergruppe eingerichtet

02.12.2016 | Förderungen Preise

Smart Data Transformation – Surfing the Big Wave

02.12.2016 | Studien Analysen

Nach der Befruchtung übernimmt die Eizelle die Führungsrolle

02.12.2016 | Biowissenschaften Chemie