Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Der komplette Zellatlas und Stammbaum eines unsterblichen Plattwurms

20.04.2018

Von einer einzigen Stammzelle zur Vielzahl hochdifferenzierter Körperzellen: Den vollständigen Stammbaum eines ausgewachsenen Organismus haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Berlin und München in „Science“ publiziert. Entscheidend war der kombinierte Einsatz von RNA- und computerbasierten Technologien.

Wie werden aus einheitlichen Stammzellen komplexe Körperzellen mit sehr unterschiedlichen Funktionen? Die Differenzierung von Stammzellen in verschiedenste Körperzellen ist eine zentrale noch ungelöste Frage der modernen Medizin.


Visualisierung der Boten-RNA, exprimiert in der Epidermis (oben), im Gehirn und den Nerven (Mitte) und den sekretorischen Zellen (unten) der Planarien. Die Dunklen Flecken sind die Augen des Tieres.

Salah Ayoub und Jordi Solana, BIMSB/MDC

Einen bedeutenden Fortschritt stellt eine umfangreiche Studie dar, die eine interdisziplinäre Gruppe von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern vom Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin (MDC), Berlin, und vom Helmholtz Zentrum München in „Science“ publiziert hat.

Durch Kombination von Einzelzell-RNA-Technologie mit Nukleinsäure-Sequenzierung und computerbasierten Analysemethoden hat das Forscherteam den detaillierten Zellatlas eines komplexen ausgewachsenen Organismus, des Plattwurms Schmidtea mediterranea, erstellt und einen detaillierten Stammbaum der identifizierten Zellen rekonstruiert.

Die Arbeit gibt darüber hinaus Einblick in die molekularen Vorgänge bei der Geweberegeneration. „Sie öffnet die Tür für neue Forschungsansätze, die sich mit der zellulären Zusammensetzung von Organen und Geweben oder den molekularen Mechanismen der Regeneration befassen“, erklärt Professor Nikolaus Rajewsky, Leiter des Berlin Institute for Medical Systems Biology (BIMSB), MDC und leitender Autor der Studie.

Umfassender Stammbaum mit 23 Differenzierungswegen ausgehend von Stammzellen

Plattwürmer wie Schmidtea mediterranea sind als Studienobjekte sehr geeignet, weil sie unsterblich sind und sich aus einzelnen Teilstücken wieder zum kompletten Organismus regenerieren können. Mit Hilfe einer großen Anzahl an Stammzellen erneuern diese Tiere ständig alle Gewebe und Zelltypen. „Um besser zu verstehen, wie sich verschiedenste Zelltypen ausdifferenzieren, müssen wir die Genexpressions-Profile von Zellen unterschiedlicher Differenzierungsstadien vergleichen, so wie man sie bei Plattwürmern findet“, sagt Dr. Mireya Plass, Wissenschaftlerin im BIMSB, MDC.

„Wir haben ganze Würmer zerlegt und tausende verschiedener Zellen auf ihre RNA-Transkripte untersucht.“ So konnten 37 unterschiedliche Zelltypen identifiziert werden, 23 davon im spätesten Differenzierungsstadium, außerdem mehrere Stammzell-Typen und unterschiedliche Vorläuferzellen.

„Mit Hilfe eines neuen Computer-Algorithmus, PAGA, der von unseren Kooperationspartnern Dr. Alexander Wolf und Professor Fabian Theis in München entwickelt wurde, konnten wir auf Basis dieses Datensatzes einen Stammbaum entwerfen, der alle identifizierten Zelltypen einschließt, und aus einer Gruppe von Stammzellen entsteht”, sagt Dr. Christine Kocks, vom BIMSB, MDC. Um den Stammbaum wissenschaftlich abzusichern und möglichst robust zu machen, wurde der Entwurf mit Daten aus weiteren computerbasierten und experimentellen Analysen abgeglichen:

Dazu gehörten Sequenzierungen von gereinigten Stammzellen oder differenzierten Zellen, Änderungen im Muster der Genexpression, Zell-Stammbaumvorhersagen mit PAGA und Ergebnisse eines neuen Algorithmus, velocyto. Mit velocyto können zukünftige Stadien der Zellentwicklung aus dem Verhältnis von Vorstufen und fertigen Boten-RNA Molekülen vorhergesagt werden. Dem Forscherteam ist es zudem gelungen, neue Genprogramme zu identifizieren, die bei den verschiedenen Differenzierungswegen wichtig sind.

Darüber hinaus fanden die Wissenschaftler mehrere neue Zelltypen im Parenchym der Plattwürmer, die bei früheren molekularbiologischen Untersuchungen übersehen wurden, aber eine wichtige Rolle für die Regeneration spielen. Der Anteil dieser Zellen ist bei Würmern, die Körperteile regenerieren müssen, erheblich reduziert. Dies weist darauf hin, dass diese Zellen und ihre Abbauprodukte als „Treibstoff“ die nötige Energie für den Umbau und Wiederaufbau des Gewebes liefern.

Informationen und Anleitungen online für die „Scientific Community“

Wissenschaftler weltweit haben ab sofort Zugang zu den neuen Daten zur Plattwurm-Biologie und den Methoden, die für die Analysen verwendet wurden. „Unsere Arbeit ermöglicht Studien zu Stammzellen und ihren Stammbäumen auch in einer Vielzahl anderer Organismen und Lebewesen.

Damit nicht nur die Plattwurm-Experten davon profitieren, sondern auch für Wissenschaftler, die ähnliche Studien an anderen Organismen durchführen wollen, haben wir eine Art "Kochanleitung" verfasst,“ sagt Dr. Jordi Solana, früher BIMSB, MDC, derzeit Oxford Brookes University, UK. Mit Hilfe einer interaktiven App (https://shiny.mdc-berlin.de/psca/) können Veränderungen im Expressionsverhalten von Genen bei der Differenzierung von Zellen nachvollzogen werden.

Ein Tutorial mit einer detaillierten Anleitung für die Anwendung des PAGA-Algorithmus ist unter https://github.com/rajewsky-lab/planarian_lineages zu finden. „Die Einzelzell-Biologie wird für die Entwicklungs- und Regenerationsbiologie unverzichtbar werden“, fasst Nikolaus Rajewsky zusammen.

Literatur

Mireya Plass et al. (2018): “Cell type atlas and lineage tree of a whole complex animal by single-cell transcriptomics,", Science. Advance Online Publication 19.04.2018, doi:10.1126/scienc.aaq1723

Über das Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin (MDC)

Das Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin in der Helmholtz-Gemeinschaft (MDC) wurde 1992 in Berlin gegründet. Es ist nach dem deutsch-amerikanischen Physiker Max Delbrück benannt, dem 1969 der Nobelpreis für Physiologie und Medizin verliehen wurde. Aufgabe des MDC ist die Erforschung molekularer Mechanismen, um die Ursachen von Krankheiten zu verstehen und sie besser zu diagnostizieren, verhüten und wirksam bekämpfen zu können.

Dabei kooperiert das MDC mit der Charité – Universitätsmedizin Berlin und dem Berlin Institute of Health (BIH) sowie mit nationalen Partnern, z.B. dem Deutschen Zentrum für Herz-Kreislauf-Forschung (DHZK), und zahlreichen internationalen Forschungseinrichtungen. Am MDC arbeiten mehr als 1.600 Beschäftigte und Gäste aus nahezu 60 Ländern; davon sind fast 1.300 in der Wissenschaft tätig. Es wird zu 90 Prozent vom Bundesministerium für Bildung und Forschung und zu 10 Prozent vom Land Berlin finanziert und ist Mitglied in der Helmholtz-Gemeinschaft deutscher Forschungszentren.

www.mdc-berlin.de 

Weitere Informationen:

https://www.mdc-berlin.de/n-rajewsky Website der AG Nikolaus Rajewsky
https://shiny.mdc-berlin.de/psca/ Shiny Web App "Planaria Single Cell Atlas"
https://github.com/rajewsky-lab/planarian_lineages Tutorial für die Anwendung des PAGA-Algorithmus

Annette Tuffs | Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin in der Helmholtz-Gemeinschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Pharmazeuten erzielen Durchbruch bei Suche nach magensaftbeständigen Zusätzen für Medikamente
17.12.2018 | Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg

nachricht Kommunikation zwischen neuronalen Netzwerken
17.12.2018 | Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau

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: Wenn sich Atome zu nahe kommen

„Dass ich erkenne, was die Welt im Innersten zusammenhält“ - dieses Faust’sche Streben ist durch die Rasterkraftmikroskopie möglich geworden. Bei dieser Mikroskopiemethode wird eine Oberfläche durch mechanisches Abtasten abgebildet. Der Abtastsensor besteht aus einem Federbalken mit einer atomar scharfen Spitze. Der Federbalken wird in eine Schwingung mit konstanter Amplitude versetzt und Frequenzänderungen der Schwingung erlauben es, kleinste Kräfte im Piko-Newtonbereich zu messen. Ein Newton beträgt zum Beispiel die Gewichtskraft einer Tafel Schokolade, und ein Piko-Newton ist ein Millionstel eines Millionstels eines Newtons.

Da die Kräfte nicht direkt gemessen werden können, sondern durch die sogenannte Kraftspektroskopie über den Umweg einer Frequenzverschiebung bestimmt werden,...

Im Focus: Datenspeicherung mit einzelnen Molekülen

Forschende der Universität Basel berichten von einer neuen Methode, bei der sich der Aggregatzustand weniger Atome oder Moleküle innerhalb eines Netzwerks gezielt steuern lässt. Sie basiert auf der spontanen Selbstorganisation von Molekülen zu ausgedehnten Netzwerken mit Poren von etwa einem Nanometer Grösse. Im Wissenschaftsmagazin «small» berichten die Physikerinnen und Physiker von den Untersuchungen, die für die Entwicklung neuer Speichermedien von besonderer Bedeutung sein können.

Weltweit laufen Bestrebungen, Datenspeicher immer weiter zu verkleinern, um so auf kleinstem Raum eine möglichst hohe Speicherkapazität zu erreichen. Bei fast...

Im Focus: Data storage using individual molecules

Researchers from the University of Basel have reported a new method that allows the physical state of just a few atoms or molecules within a network to be controlled. It is based on the spontaneous self-organization of molecules into extensive networks with pores about one nanometer in size. In the journal ‘small’, the physicists reported on their investigations, which could be of particular importance for the development of new storage devices.

Around the world, researchers are attempting to shrink data storage devices to achieve as large a storage capacity in as small a space as possible. In almost...

Im Focus: Data use draining your battery? Tiny device to speed up memory while also saving power

The more objects we make "smart," from watches to entire buildings, the greater the need for these devices to store and retrieve massive amounts of data quickly without consuming too much power.

Millions of new memory cells could be part of a computer chip and provide that speed and energy savings, thanks to the discovery of a previously unobserved...

Im Focus: Quantenkryptographie ist bereit für das Netz

Wiener Quantenforscher der ÖAW realisierten in Zusammenarbeit mit dem AIT erstmals ein quantenphysikalisch verschlüsseltes Netzwerk zwischen vier aktiven Teilnehmern. Diesen wissenschaftlichen Durchbruch würdigt das Fachjournal „Nature“ nun mit einer Cover-Story.

Alice und Bob bekommen Gesellschaft: Bisher fand quantenkryptographisch verschlüsselte Kommunikation primär zwischen zwei aktiven Teilnehmern, zumeist Alice...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Tagung 2019 in Essen: LED Produktentwicklung – Leuchten mit aktuellem Wissen

14.12.2018 | Veranstaltungen

Pro und Contra in der urologischen Onkologie

14.12.2018 | Veranstaltungen

Konferenz zu Usability und künstlicher Intelligenz an der Universität Mannheim

13.12.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Kommunikation zwischen neuronalen Netzwerken

17.12.2018 | Biowissenschaften Chemie

Beim Phasenübergang benutzen die Elektronen den Zebrastreifen

17.12.2018 | Physik Astronomie

Pharmazeuten erzielen Durchbruch bei Suche nach magensaftbeständigen Zusätzen für Medikamente

17.12.2018 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics