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Um jene Gene zu identifizieren, die an der Entstehung von Krankheiten beteiligt sind, bringt man die Zellkerne in Bonn ab sofort zum Leuchten.
Forscher der Universität Bonn und des Universitätsklinikums Bonn haben ein Verfahren entwickelt, mit dem sie Genomsequenzen im Zellkern zum Leuchten bringen können. Damit soll eine der großen Herausforderungen der biomedizinischen Forschung ab sofort einfacher werden: Jene Gene zu identifizieren, die an der Entstehung von Krankheiten beteiligt sind. Denn im Gegensatz zu langwierigen und aufwändigen Screenings mittels etablierter Methoden können mit dieser NIS-Seq-Methode nahezu beliebige biologische Prozesse in menschlichen Zellen genetisch untersucht werden. Die Studie wurde gerade in Nature Biotechnology veröffentlicht.
Gene steuern im Körper komplexe Vorgänge, weiß Prof. Dr. Jonathan Schmid-Burgk, Arbeitsgruppenleiter am Institut für klinische Chemie und klinische Pharmakologie des UKB und Mitglied im Exzellenzcluster Immunosensation2 der Universität Bonn: „Bestimmte Gene sind beispielsweise für lebenswichtige Immunreaktionen verantwortlich, aber auch an lebensbedrohenden Entzündungsprozessen beteiligt. Unser Forschungsinteresse besteht darin, diese Gene zu identifizieren, um Krankheiten besser behandeln zu können.“
CRISPR-Screening mit hohem Aufwand
Bisher wurden Gene mit dem sogenannten CRISPR-Screening untersucht. Das heißt, in jeder Zelle wird ein zufälliges Gen ausgeschaltet und die Zellen anschließend angereichert, indem ein bestimmter biologischer Prozess verändert abläuft. „Dieses Vorgehen ist extrem aufwändig: Man benötigt für jeden Prozess eine eigene Methode, um die relevanten Zellen etwa mit Zell-Sortiermaschinen anzureichern“, weiß Prof. Schmid-Burgk. Ein weiterer Schwachpunkt: Das CRISPR-Screening funktioniert nicht in jedem Zelltyp – gerade die interessanten menschlichen Immunzellen überleben das mehrstufige Verfahren oft nicht.
Die Bonner Forscher sind deshalb auf ein optisches CRISPR-Screening umgeschwenkt, auf das sogenannte Nuclear In-Situ Screening, kurz NIS-Seq. „Auch hier kommt CRISPR-Cas zum Einsatz“, erklärt Caroline Fandrey, Doktorandin in der Arbeitsgruppe von Prof. Schmid-Burgk und Erstautorin der Studie. „Allerdings können wir nahezu beliebige biologische Prozesse in Zellen beobachten, während sie noch leben, um die daran beteiligten Schlüsselgene zu identifizieren.“ Dafür nutzte das Team einen Trick: Sie schleusen neben der CRISPR-RNA einen sogenannten Phagenpromoter in den Zellkern ein, der die CRISPR-Sequenzen vervielfältigt und in unterschiedlichen Farben zum Leuchten bringt – die bunten Konfettipunkte können mit üblichen Fluoreszenz-Mikroskopen in jeder Zelle abgelesen werden und verraten, welches Gen ausgeschaltet wurde.
Weniger als einhundert Zellen
„Mit NIS-Seq brauchen wir aktuell rund eine Woche, um ein relevantes Gen zu identifizieren“, sagt Marius Jentzsch, ebenfalls Doktorand bei Prof. Schmid-Burgk und Erstautor der Arbeit. „Für einen herkömmlichen CRISPR-Screen benötigt man oft Monate, um die Zellen sauber nach ihrer Funktion voneinander zu trennen.“ Ein weiterer Vorteil der neuen Methode: Sie funktioniert bei nahezu allen Zellen, auch in besonders kleinen oder inaktiven Zellen – vorausgesetzt, sie besitzen einen Zellkern. In der Studie haben die Forscher acht Zelltypen zweier Spezies erfolgreich analysiert. „Wir sind überzeugt davon, dass unsere Methode der neue Standard für die Identifikation von genetischen Schlüsselakteuren zellulärer Prozesse wird,“ ist sich Prof. Schmidt-Burgk sicher.
Neben der Universität Bonn und dem UKB waren an der Studie die University of Melbourne, das Deutsche Rheuma-Forschungszentrum Berlin (DRFZ) sowie das polnische Unternehmen Appilson beteiligt. Gefördert wurde das Projekt durch das Exzellenzcluster Immunosensation2 und den Transdisziplinären Forschungsbereich Life & Health der Universität Bonn sowie den DFG-Sonderforschungsbereich 1454: Metaflammation und Zelluläre Programmierung.
