Nachrichten | Wissenschaftler der University of California rekonstruieren die frühe Entwicklung mit „programmierbaren Embryomodellen“ und eröffnen neue Wege für die Fertilitätsforschung
Nachrichten | Wissenschaftler der University of California rekonstruieren die frühe Entwicklung mit „programmierbaren Embryomodellen“ und eröffnen neue Wege für die Fertilitätsforschung
Wie aus einer einzelnen Zelle in den ersten Tagen nach der Befruchtung ein vollständiger Organismus entsteht, gehört zu den größten Rätseln der Wissenschaft. Da die frühe Entwicklung von Säugetieren in der Gebärmutter stattfindet, konnten Forschende sie lange Zeit nur schwer direkt beobachten oder beeinflussen. Das schränkt unser Verständnis dafür ein, warum die Embryonalentwicklung manchmal scheitert.
Eine bahnbrechende Studie an der University of California, Santa Cruz, überwindet diese Einschränkung. Mithilfe fortschrittlicher CRISPR-Technologie und ohne echte Embryonen erzeugten Forschende sich selbst organisierende „programmierbare Embryomodelle“ beziehungsweise Embryoide, die wichtige Stadien der frühen Entwicklung im Labor nachbilden. Die Arbeit wurde in Cell Stem Cell veröffentlicht.
„Wir wollen natürliche Phänomene wie die Embryobildung in einer Kulturschale rekonstruieren und sogar verändern, um die Erforschung früher Entwicklungsstörungen voranzubringen.“
—Ali Shariati, korrespondierender Autor und Assistenzprofessor für biomolekulare Verfahrenstechnik an der UC Santa Cruz
Programmierung von Stammzellen mit CRISPR
Die Studie wurde gemeinsam von dem Postdoktoranden Gerrald Lodewijk und der ehemaligen Studentin Sayaka Kozuki geleitet, die inzwischen an der Caltech promoviert. Verwendet wurden Stammzellen von Labormäusen. Stammzellen sind wie eine leere Leinwand und können theoretisch zu jedem Zelltyp werden, einschließlich Gehirn- oder Darmzellen.
Das Team verwendete eine schonendere CRISPR-Variante, das CRISPR-Aktivierungssystem (CRISPRa). Statt die DNA zu zerschneiden, reguliert und aktiviert es Genregionen, die für die Embryonalentwicklung entscheidend sind. Diese präzise Aktivierung veranlasst die Stammzellen, verschiedene primitive embryonale Zelltypen zu bilden.
„Statt einen äußeren Reiz hinzuzufügen, aktivieren wir genetische Schalter, die in den Zellen bereits vorhanden sind, und lassen sie selbst bestimmen, wie sie ihre Entwicklung beginnen“, erklärte Lodewijk.
Mehr als 80% der Stammzellen organisierten sich innerhalb weniger Tage spontan zu Strukturen, die frühen Embryonen ähnelten, und starteten Genexpressionsprogramme, die eng mit denen natürlicher Embryonen übereinstimmten.
„Die Selbstorganisation ist bemerkenswert vergleichbar. Die Zellen scheinen zu wissen, was zu tun ist; wir müssen ihnen nur einen sanften Anstoß geben.“
—Ali Shariati
Beobachtung der Selbstorganisation des frühen Lebens
Die Embryoidzellen zeigten in der Kultur ein kollektives Verhalten, darunter eine als geordnetes Bewegen wie ein Vogelschwarm beschriebene Rotationswanderung. Letztlich bildeten sie eindrucksvolle frühe embryonale Muster.
Anders als frühere Methoden, bei denen Chemikalien die Bildung verschiedener Zelltypen erzwangen, lag der Schwerpunkt dieser Studie auf der gemeinsamen Entwicklung. Diese ähnelt der natürlichen Embryonalentwicklung im Körper stärker.
„Wir stellen die Zellen nicht einzeln her. Wir lassen sie gemeinsam wachsen und sich gegenseitig beeinflussen, wie sie es in einem echten Embryo tun würden, und bilden so ihr biologisches Gedächtnis als Nachbarn nach.“
—Shariati
Programmierbare Modelle könnten die Ursachen von Entwicklungsstörungen aufdecken
Der wichtigste Vorteil dieser Embryomodelle ist ihre hohe Programmierbarkeit. Forschende können die frühesten Lebensstadien untersuchen und Gene gezielt an- oder abschalten, um zu beobachten, welche Veränderungen zum Scheitern von Zelltypen, der Gewebeorganisation oder des gesamten Embryos führen.
Dies bietet eine leistungsfähige Plattform zur Modellierung von Entwicklungsstörungen, ohne echte Embryonen zu verwenden.
Die Technologie könnte schließlich auf andere Arten, einschließlich des Menschen, ausgeweitet werden und Forschenden helfen zu untersuchen, warum frühe menschliche Embryonen häufig nicht implantieren oder sich nicht weiterentwickeln. Shariati sagte: „Wir können die Engpässe am Anfang des Lebens jetzt deutlicher erkennen. Das ist von großer Bedeutung, um den menschlichen Fortpflanzungserfolg zu verbessern.“
Nachrichten | Wissenschaftler der University of California rekonstruieren die frühe Entwicklung mit „programmierbaren Embryomodellen“ und eröffnen neue Wege für die Fertilitätsforschung
Nachrichten | Wissenschaftler der University of California rekonstruieren die frühe Entwicklung mit „programmierbaren Embryomodellen“ und eröffnen neue Wege für die Fertilitätsforschung
Wie aus einer einzelnen Zelle in den ersten Tagen nach der Befruchtung ein vollständiger Organismus entsteht, gehört zu den größten Rätseln der Wissenschaft. Da die frühe Entwicklung von Säugetieren in der Gebärmutter stattfindet, konnten Forschende sie lange Zeit nur schwer direkt beobachten oder beeinflussen. Das schränkt unser Verständnis dafür ein, warum die Embryonalentwicklung manchmal scheitert.
Eine bahnbrechende Studie an der University of California, Santa Cruz, überwindet diese Einschränkung. Mithilfe fortschrittlicher CRISPR-Technologie und ohne echte Embryonen erzeugten Forschende sich selbst organisierende „programmierbare Embryomodelle“ beziehungsweise Embryoide, die wichtige Stadien der frühen Entwicklung im Labor nachbilden. Die Arbeit wurde in Cell Stem Cell veröffentlicht.
„Wir wollen natürliche Phänomene wie die Embryobildung in einer Kulturschale rekonstruieren und sogar verändern, um die Erforschung früher Entwicklungsstörungen voranzubringen.“
—Ali Shariati, korrespondierender Autor und Assistenzprofessor für biomolekulare Verfahrenstechnik an der UC Santa Cruz
Programmierung von Stammzellen mit CRISPR
Die Studie wurde gemeinsam von dem Postdoktoranden Gerrald Lodewijk und der ehemaligen Studentin Sayaka Kozuki geleitet, die inzwischen an der Caltech promoviert. Verwendet wurden Stammzellen von Labormäusen. Stammzellen sind wie eine leere Leinwand und können theoretisch zu jedem Zelltyp werden, einschließlich Gehirn- oder Darmzellen.
Das Team verwendete eine schonendere CRISPR-Variante, das CRISPR-Aktivierungssystem (CRISPRa). Statt die DNA zu zerschneiden, reguliert und aktiviert es Genregionen, die für die Embryonalentwicklung entscheidend sind. Diese präzise Aktivierung veranlasst die Stammzellen, verschiedene primitive embryonale Zelltypen zu bilden.
„Statt einen äußeren Reiz hinzuzufügen, aktivieren wir genetische Schalter, die in den Zellen bereits vorhanden sind, und lassen sie selbst bestimmen, wie sie ihre Entwicklung beginnen“, erklärte Lodewijk.
Mehr als 80% der Stammzellen organisierten sich innerhalb weniger Tage spontan zu Strukturen, die frühen Embryonen ähnelten, und starteten Genexpressionsprogramme, die eng mit denen natürlicher Embryonen übereinstimmten.
„Die Selbstorganisation ist bemerkenswert vergleichbar. Die Zellen scheinen zu wissen, was zu tun ist; wir müssen ihnen nur einen sanften Anstoß geben.“
—Ali Shariati
Beobachtung der Selbstorganisation des frühen Lebens
Die Embryoidzellen zeigten in der Kultur ein kollektives Verhalten, darunter eine als geordnetes Bewegen wie ein Vogelschwarm beschriebene Rotationswanderung. Letztlich bildeten sie eindrucksvolle frühe embryonale Muster.
Anders als frühere Methoden, bei denen Chemikalien die Bildung verschiedener Zelltypen erzwangen, lag der Schwerpunkt dieser Studie auf der gemeinsamen Entwicklung. Diese ähnelt der natürlichen Embryonalentwicklung im Körper stärker.
„Wir stellen die Zellen nicht einzeln her. Wir lassen sie gemeinsam wachsen und sich gegenseitig beeinflussen, wie sie es in einem echten Embryo tun würden, und bilden so ihr biologisches Gedächtnis als Nachbarn nach.“
—Shariati
Programmierbare Modelle könnten die Ursachen von Entwicklungsstörungen aufdecken
Der wichtigste Vorteil dieser Embryomodelle ist ihre hohe Programmierbarkeit. Forschende können die frühesten Lebensstadien untersuchen und Gene gezielt an- oder abschalten, um zu beobachten, welche Veränderungen zum Scheitern von Zelltypen, der Gewebeorganisation oder des gesamten Embryos führen.
Dies bietet eine leistungsfähige Plattform zur Modellierung von Entwicklungsstörungen, ohne echte Embryonen zu verwenden.
Die Technologie könnte schließlich auf andere Arten, einschließlich des Menschen, ausgeweitet werden und Forschenden helfen zu untersuchen, warum frühe menschliche Embryonen häufig nicht implantieren oder sich nicht weiterentwickeln. Shariati sagte: „Wir können die Engpässe am Anfang des Lebens jetzt deutlicher erkennen. Das ist von großer Bedeutung, um den menschlichen Fortpflanzungserfolg zu verbessern.“
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