Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Mit Mathematik einzigartige Zellen aufspüren - Statistische Methoden verbessern biologische Einzelzell-Analyse

23.01.2014
Stammzellen verwandeln sich in Herzzellen, Hautzellen verwandeln sich in Krebszellen, selbst Zellen einer Gewebeart unterscheiden sich geringfügig voneinander.

Ein wichtiges Werkzeug dazu, solche Heterogenitäten zu verstehen, sind Einzelzell-Analysen. Diese jedoch sind immer noch aufwändig und teuer. Zudem verursacht die Handhabung der Einzelzellen eine erhebliche Ungenauigkeit der Messwerte.


Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung zeigt mRNA-Aktivität. Blau: niedrige, rot: hohe Aktivität
Bild: S. S. Bajikar / University of Virginia, Charlottesville (USA)

Wissenschaftler der Technischen Universität München (TUM), des Helmholtz Zentrums München und der Universität Virginia (USA) haben nun einen Weg gefunden, wie sich die Analysen durch mathematische Methoden vereinfachen und verbessern lassen.

Jede unserer Körperzellen ist einzigartig. Selbst Zellen einer Gewebeart, die unter dem Mikroskop völlig gleich aussehen, unterscheiden sich geringfügig voneinander. Um zu verstehen, wie sich aus einer Stammzelle eine Herzzelle entwickeln kann, warum die eine Beta-Zelle Insulin produziert und die andere nicht und warum eine normale Gewebezelle plötzlich zu einer Krebszelle wird, untersuchen Wissenschaftler seit einigen Jahren gezielt die Aktivitäten der Ribonucleinsäuren, der RNA.

Permanent werden Stoffe auf- und abgebaut. Ständig lesen RNA-Moleküle Baupläne für Eiweiße aus der Erbsubstanz ab und lassen sie von anderen Eiweißen produzieren. Inzwischen hat die Wissenschaft die Methoden so verfeinert, dass es möglich ist, alle in einer einzigen Zelle zu einem bestimmten Zeitpunkt aktiven RNA-Moleküle zu erfassen.

Ende Dezember 2013 wurde die Einzelzell-Sequenzierung vom Fachblatt Nature Methods zur Methode des Jahres 2013 erklärt. Doch die Untersuchung einzelner Zellen ist extrem aufwändig und die Handhabung der Zellen verursacht Fehler und Ungenauigkeiten, die ein erhebliches statistisches Rauschen zur Folge haben. Vor allem schwächere Unterschiede in der Genregulierung gehen darin unter oder werden gar nicht erst sichtbar.

Einfacher und genauer dank Statistik

Wissenschaftler unter der Leitung von Professor Fabian Theis, Inhaber des Lehrstuhls für Mathematische Modelle biologischer Systeme der TU München und Leiter des Instituts für Computational Biology am Helmholtz Zentrum München, haben nun einen Weg gefunden, wie sie mit Methoden der mathematischen Statistik die Einzelzell-Analyse wesentlich verbessern können.

Statt nur jeweils einer Zelle nahmen sie zwischen 16 und 80 Proben mit jeweils zehn Zellen. „Eine Menge von zehn Zellen ist wesentlich leichter zu handhaben“, sagt Professor Theis. „Bei der zehnfachen Menge an Zellmaterial werden die Umgebungseinflüsse deutlich zurück gedrängt.“ Allerdings sind die Zellen mit unterschiedlichen Eigenschaften dann zufällig über die Proben verteilt. Daher entwickelte Theis´ Mitarbeiterin Christiane Fuchs statistische Methoden, um die Einzelzell-Eigenschaften dennoch zu identifizieren.

Kombination von Modell und Experiment

Auf der Basis bekannter biologischer Daten modellierten Theis und Fuchs die Verteilung für den Fall von Genen, die sich in zwei definierten regulatorischen Zuständen befinden können. Zusammen mit den Biologen Kevin Janes und Sameer Bajikar von der Universität Virginia in Charlottesville (USA) konnten sie experimentell belegen, dass mit Hilfe der statistischen Methoden aus den Messergebnissen der zehn Zellen enthaltenden Proben genauere Ergebnisse errechnet werden können als mit der Analyse der gleichen Anzahl von Einzelzellproben.

In vielen Fällen werden durch einen Faktor gleich mehrere Genreaktionen angestoßen. Auch auf solche Fälle ließ sich das statistische Verfahren anwenden. Fluoreszierende Marker zeigen die Genaktivitäten, und man erhält so ein Mosaik aus dem sich wiederum ablesen lässt, ob verschiedene Zellen unterschiedlich auf den Faktor reagieren.

Die Methode ist so empfindlich, dass sie selbst eine Abweichung unter 40 sonst gleichen Zellen noch zeigt. Dass diese Abweichung tatsächlich ein Effekt ist und nicht ein zufälliger Ausreißer, konnte experimentell belegt werden.

Die Arbeit wurde unterstützt aus Mitteln der American Cancer Society, des National Institutes of Health, der Deutschen Forschungsgemeinschaft, des Deutschen Akademischen Austauschdienstes, des Pew Scholars Program in the Biomedical Sciences, der David and Lucile Packard Foundation, der National Science Foundation sowie des European Research Council.

Publikation:

Parameterizing cell-to-cell regulatory heterogeneities via stochastic transcriptional profiles
Sameer S. Bajikar, Christiane Fuchs, Andreas Roller, Fabian J. Theis, and Kevin A. Janes

PNAS, Early Edition, 21 Januar 2014, Doi: 10.1073/pnas.1311647111

Kontakt

Prof. Dr. Fabian J. Theis
Technische Universität München
Lehrstuhl für Mathematische Modelle biologischer Systeme
Boltzmannstr. 3, 85748 Garching, Germany
Tel.: +49 89 289 18386 – E-Mail: theis@mytum.de
Helmholtz-Zentrum München
Institut für Computational Biology
Ingolstädter Landstr. 1, 85764 Neuherberg, Germany
Tel.: +49 89 3187 2211 - icb.office@helmholtz-muenchen.de
Weitere Informationen:
http://www.pnas.org/content/early/2014/01/17/1311647111
http://www.helmholtz-muenchen.de/icb

Dr. Ulrich Marsch | Technische Universität München
Weitere Informationen:
http://www.helmholtz-muenchen.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Evolutionsbiologie: Wie die Zellen zu ihren Kraftwerken kamen
22.06.2017 | Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf

nachricht Im Mikrokosmos wird es bunt: 124 Farben dank RGB-Technologie
22.06.2017 | Max-Planck-Institut für Biochemie

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: Klima-Satellit: Mit robuster Lasertechnik Methan auf der Spur

Hitzewellen in der Arktis, längere Vegetationsperioden in Europa, schwere Überschwemmungen in Westafrika – mit Hilfe des deutsch-französischen Satelliten MERLIN wollen Wissenschaftler ab 2021 die Emissionen des Treibhausgases Methan auf der Erde erforschen. Möglich macht das ein neues robustes Lasersystem des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnologie ILT in Aachen, das eine bisher unerreichte Messgenauigkeit erzielt.

Methan entsteht unter anderem bei Fäulnisprozessen. Es ist 25-mal wirksamer als das klimaschädliche Kohlendioxid, kommt in der Erdatmosphäre aber lange nicht...

Im Focus: Climate satellite: Tracking methane with robust laser technology

Heatwaves in the Arctic, longer periods of vegetation in Europe, severe floods in West Africa – starting in 2021, scientists want to explore the emissions of the greenhouse gas methane with the German-French satellite MERLIN. This is made possible by a new robust laser system of the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT in Aachen, which achieves unprecedented measurement accuracy.

Methane is primarily the result of the decomposition of organic matter. The gas has a 25 times greater warming potential than carbon dioxide, but is not as...

Im Focus: How protons move through a fuel cell

Hydrogen is regarded as the energy source of the future: It is produced with solar power and can be used to generate heat and electricity in fuel cells. Empa researchers have now succeeded in decoding the movement of hydrogen ions in crystals – a key step towards more efficient energy conversion in the hydrogen industry of tomorrow.

As charge carriers, electrons and ions play the leading role in electrochemical energy storage devices and converters such as batteries and fuel cells. Proton...

Im Focus: Die Schweiz in Pole-Position in der neuen ESA-Mission

Die Europäische Weltraumagentur ESA gab heute grünes Licht für die industrielle Produktion von PLATO, der grössten europäischen wissenschaftlichen Mission zu Exoplaneten. Partner dieser Mission sind die Universitäten Bern und Genf.

Die Europäische Weltraumagentur ESA lanciert heute PLATO (PLAnetary Transits and Oscillation of stars), die grösste europäische wissenschaftliche Mission zur...

Im Focus: Forscher entschlüsseln erstmals intaktes Virus atomgenau mit Röntgenlaser

Bahnbrechende Untersuchungsmethode beschleunigt Proteinanalyse um ein Vielfaches

Ein internationales Forscherteam hat erstmals mit einem Röntgenlaser die atomgenaue Struktur eines intakten Viruspartikels entschlüsselt. Die verwendete...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

10. HDT-Tagung: Elektrische Antriebstechnologie für Hybrid- und Elektrofahrzeuge

22.06.2017 | Veranstaltungen

„Fit für die Industrie 4.0“ – Tagung von Hochschule Darmstadt und Schader-Stiftung am 27. Juni

22.06.2017 | Veranstaltungen

Forschung zu Stressbewältigung wird diskutiert

21.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Individualisierte Faserkomponenten für den Weltmarkt

22.06.2017 | Physik Astronomie

Evolutionsbiologie: Wie die Zellen zu ihren Kraftwerken kamen

22.06.2017 | Biowissenschaften Chemie

Spinflüssigkeiten – zurück zu den Anfängen

22.06.2017 | Physik Astronomie