Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Epigenetisches Modell für die Entwicklung von Blutzellen

21.11.2016

Mit bioinformatischen Methoden ist es Wissenschaftlern aus Saarbrücken, Cambridge und Wien gelungen, Unterschiede in Blutstammzellen verschiedener Entwicklungsstufen zu finden und die epigenetischen Veränderungen während ihrer Differenzierung zu beschreiben. Dank neuartiger Sequenzierungs-Technologie konnten die Epigenome aus nur wenigen oder sogar einzelnen Zellen kartiert werden. Mittels maschinellem Lernen wurde aus den Ergebnissen ein Modell menschlicher Blutdifferenzierung direkt aus der Methylierung der Zell-DNA gewonnen. Damit steht ein neuer bioinformatischer Ansatz bereit, um komplexe Differenzierungswege im Computer abzubilden.

Das Genom bzw. die DNA-Sequenz ist spezifisch für jeden Organismus und in praktisch allen Zellen eines Menschen gleich. Für die Entwicklung der unter-schiedlichen Zell¬typen mit ihren spezifischen Aufgaben aus Stamm- und Vorläuferzellen ist das Epigenom verantwortlich. Im Epigenom ist reflektiert, zu welchem Zelltyp sich eine Stammzelle entwickelt. Der Mechanismus dafür ist das biochemische An- und Ausschalten von Teilabschnitten der DNA durch zelluläre Prozesse wie zum Beispiel der Methylierung bestimmter DNA-Regionen. Die Kenntnis dieser Steuerung ermöglicht eine verbesserte Analyse und Behandlung von Krebs-, Stoffwechsel- und Immunerkrankungen.


Epigenetische Verpackung der DNA: Die DNA (blau) mit Methylierungen (rot) umwindet Histonproteine.

Unter der Leitung von Christoph Bock (CeMM Forschungszentrum für Molekulare Medizin der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, Wien, und Max-Planck-Institut für Informatik, Saarbrücken), wurden von einem internationalen Team, das Forscher am Max-Planck-Institut für Informatik und am Zentrum für Bioinformatik an der Universität des Saarlandes einschließt, die epigenetischen Muster in Stammzellen und Vorläuferzellen des menschlichen Blutes umfassend charakterisiert. Diese Zellen sind für die Bildung sämtlicher Blutzellen, einschließlich aller Zellen des Immunsystems und der roten Blutkörperchen, verantwortlich.

Eine neuartige Sequenzierungs-Technologie ermöglichte es nun, die Epigenome aus nur wenigen bis hin zu einzelnen Zellen zu kartieren. Im Vergleich zu anderen Verfahren sind die Messungen schärfer und im Falle der sehr seltenen Stammzellen überhaupt erst möglich geworden. Die so entstandenen Karten beschreiben Muster in der DNA-Methylierung, einer speziellen epigenetischen Modifikation, die mit der Verpackung der DNA im Zellkern assoziiert ist und ihre "Lesbarkeit" beeinflusst. Sie stellen eine Art Atlas dieser Modifikation dar, der als Referenz für die epigenetische Untersuchung von Krankheiten wie Leukämie und Autoimmunerkrankungen von Nutzen ist.

"Jede Körperzelle besitzt ihr eigenes Epigenom. Herauszufinden, inwiefern sich die Epigenome verschiedener Zelltypen unterscheiden bzw. ähneln, ist von großer Bedeutung für das Verständnis vieler Erkrankungen", erklärt Thomas Lengauer, Sprecher des Saarbrücker Zentrums für Bioinformatik und Direktor am Max-Planck-Institut für Informatik. "Die Menge an Daten, die hierfür ausgewertet werden, macht bioinformatische Methoden unverzichtbar."

In der Studie verglichen die Forscher Stammzellen aus dem Blut von Erwachsenen und aus anderen Quellen wie dem Nabelschnurblut und dem Knochenmark und stellten Unterschiede fest, die mit der Verpackung der DNA im Zellkern im Zusammenhang stehen und für die Zellfunktion relevant sind. Des Weiteren konnten Muster in der epigenetischen Regulation verschiedener Vorläuferzellen identifiziert werden, die mit Zellen der angeborenen bzw. adaptiven Immunabwehr assoziiert sind. Mit Hilfe bioinformatischer Methoden konnten die Forscher die epigenetischen Gemeinsamkeiten und Unterschiede verschiedener Blutzelltypen aufzeigen. Maschinelle Lernverfahren ermöglichten es die epigenetischen Veränderungen, die sich im Laufe der Entwicklung von Blutzellen ereignen, im Computer abzubilden.

Christoph Bock erklärt dazu: "Vorläuferzellen spezialisieren sich während der Entwicklung immer mehr bis zur fertig ausdifferenzierten Blutzelle. Wir fanden in den Vorläuferzellen DNA-Methylierungsmuster, die sich wie eine Straßenkarte lesen und die möglichen Entwicklungs-Routen dieser Zelle beschreiben."

Krankheiten, die nicht durch äußere Erreger verursacht werden, sondern durch Veränderung der körpereigenen Zellen, können nicht mit Antibiotika oder Seren behandelt werden. Stattdessen sind Eingriffe in Entwicklung und Stoffwechsel der Zellen nötig. Thomas Lengauer beschreibt eine Zielrichtung der Forscher "Aus der Kenntnis der Abläufe bei der Zelldifferenzierung erhoffen wir uns bessere Diagnose- und Therapiemöglichkeiten bei Erkrankungen, die im Zusammenhang mit der Teilung von Körperzellen stehen. Sind die epigenomischen Merkmale einer krankhaften Zellveränderung bekannt, kann man nach gezielten Eingriffen forschen, die nur diese Zellen betreffen."

Die Resultate der Wissenschaftler wurden im renommierten Journal Cell Stem Cell veröffentlicht und sind unter http://dx.doi.org/10.1016/j.stem.2016.10.019 abrufbar.

Die Forschung wurde im Rahmen des BLUEPRINT Projektes (BLUEPRINT - A BLUEPRINT of Haematopoietic Epigenomes) durchgeführt, ein groß angelegtes Forschungsprojekt, das als eines der beiden ersten sogenannten "high impact research initiatives" knapp 30 Millionen Euro Förderung der EU erhalten hat. 42 führende Universitäten, Forschungsinstitute und Industriepartner aus 12 Ländern haben zu dem Projekt beigetragen.
http://www.blueprint-epigenome.eu

Unter dem Schirmprojekt IHEC, des International Human Epigenome Consortiums, werden alle Epigenom-Daten von BLUEPRINT öffentlich zugänglich gemacht. IHEC ist ein globales Konsortium mit dem primären Ziel, Referenz-Epigenome für normale und erkrankte Zelltypen des Menschen zu erzeugen und der wissenschaftlichen Gemeinschaft frei zur Verfügung zu stellen. IHEC-Mitglieder unterstützen außerdem Projekte zur Entwicklung neuer Epigenom-Technologien, zur Erforschung von epigenetischer Regulation bei Krankheiten und zum Verständnis der Epigenetik im Bereich der Gen-Umwelt-Interaktionen.
http://ihec-epigenomes.org

Fragen beantworten:
Prof. Dr. Dr. Thomas Lengauer
Max-Planck-Institut für Informatik
Tel: +49.681.9325-3000
lengauer@mpi-inf.mpg.de

Dr. Christoph Bock
CeMM Research Center for Molecular Medicine of the Austrian Academy of Sciences
Tel: +43-140-160-70070
cbock@cemm.oeaw.ac.at

Bertram Somieski | Max-Planck-Institut für Informatik
Weitere Informationen:
http://www.mpi-inf.mpg.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Wie Reize auf dem Weg ins Bewusstsein versickern
22.09.2017 | Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

nachricht Lebendiges Gewebe aus dem Drucker
22.09.2017 | Universitätsklinikum Freiburg

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: The pyrenoid is a carbon-fixing liquid droplet

Plants and algae use the enzyme Rubisco to fix carbon dioxide, removing it from the atmosphere and converting it into biomass. Algae have figured out a way to increase the efficiency of carbon fixation. They gather most of their Rubisco into a ball-shaped microcompartment called the pyrenoid, which they flood with a high local concentration of carbon dioxide. A team of scientists at Princeton University, the Carnegie Institution for Science, Stanford University and the Max Plank Institute of Biochemistry have unravelled the mysteries of how the pyrenoid is assembled. These insights can help to engineer crops that remove more carbon dioxide from the atmosphere while producing more food.

A warming planet

Im Focus: Hochpräzise Verschaltung in der Hirnrinde

Es ist noch immer weitgehend unbekannt, wie die komplexen neuronalen Netzwerke im Gehirn aufgebaut sind. Insbesondere in der Hirnrinde der Säugetiere, wo Sehen, Denken und Orientierung berechnet werden, sind die Regeln, nach denen die Nervenzellen miteinander verschaltet sind, nur unzureichend erforscht. Wissenschaftler um Moritz Helmstaedter vom Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt am Main und Helene Schmidt vom Bernstein-Zentrum der Humboldt-Universität in Berlin haben nun in dem Teil der Großhirnrinde, der für die räumliche Orientierung zuständig ist, ein überraschend präzises Verschaltungsmuster der Nervenzellen entdeckt.

Wie die Forscher in Nature berichten (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005), haben die...

Im Focus: Highly precise wiring in the Cerebral Cortex

Our brains house extremely complex neuronal circuits, whose detailed structures are still largely unknown. This is especially true for the so-called cerebral cortex of mammals, where among other things vision, thoughts or spatial orientation are being computed. Here the rules by which nerve cells are connected to each other are only partly understood. A team of scientists around Moritz Helmstaedter at the Frankfiurt Max Planck Institute for Brain Research and Helene Schmidt (Humboldt University in Berlin) have now discovered a surprisingly precise nerve cell connectivity pattern in the part of the cerebral cortex that is responsible for orienting the individual animal or human in space.

The researchers report online in Nature (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005) that synapses in...

Im Focus: Tiny lasers from a gallery of whispers

New technique promises tunable laser devices

Whispering gallery mode (WGM) resonators are used to make tiny micro-lasers, sensors, switches, routers and other devices. These tiny structures rely on a...

Im Focus: Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas

Graphen besitzt extreme Eigenschaften und ist vielseitig verwendbar. Mit einem Trick lassen sich sogar die Spins im Graphen kontrollieren. Dies gelang einem HZB-Team schon vor einiger Zeit: Die Physiker haben dafür eine Lage Graphen auf einem Nickelsubstrat aufgebracht und Goldatome dazwischen eingeschleust. Im Fachblatt 2D Materials zeigen sie nun, warum dies sich derartig stark auf die Spins auswirkt. Graphen kommt so auch als Material für künftige Informationstechnologien infrage, die auf der Verarbeitung von Spins als Informationseinheiten basieren.

Graphen ist wohl die exotischste Form von Kohlenstoff: Alle Atome sind untereinander nur in der Ebene verbunden und bilden ein Netz mit sechseckigen Maschen,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

11. BusinessForum21-Kongress „Aktives Schadenmanagement"

22.09.2017 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zum Biomining ab Sonntag in Freiberg

22.09.2017 | Veranstaltungen

Die Erde und ihre Bestandteile im Fokus

21.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

11. BusinessForum21-Kongress „Aktives Schadenmanagement"

22.09.2017 | Veranstaltungsnachrichten

DFG bewilligt drei neue Forschergruppen und eine neue Klinische Forschergruppe

22.09.2017 | Förderungen Preise

Lebendiges Gewebe aus dem Drucker

22.09.2017 | Biowissenschaften Chemie