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Technik und Knowhow

Für dynamische Prozesse in der Zelle

Die Technologien zur DNA-Sequenzierung sind sehr weit fortgeschritten und erlauben einen umfassenden und tiefen Blick in die Grundlagen der Entstehung von Krankheiten. Im Cluster-Labor VIII (Nukleotidlabor) werden die Methoden auch zunehmend für die Analyse des Transkriptoms genutzt. Damit werden alle genomischen Bereiche erfasst, die unter bestimmten Bedingungen in bestimmten Zellen aktiv sind. Für das Verständnis von Prozessen in der Zelle sind vor allem die Unterschiede im Transkriptom zum Beispiel zwischen „gesund“ und „entzündet“ von Interesse.

DNA-Sequenzierer der so genannten „nächsten“ Generation (next generation sequencing) machen die Ultra-Hochdurchsatz-Sequenzierung schneller und kostengünstiger.

Das Transkriptom ist die Gesamtheit der RNAMoleküle, die zu einem bestimmten Zeitpunkt in der Zelle vorhanden sind und damit einen bestimmten Funktionszustand wiederspiegeln. Die jeweiligen RNA-Moleküle dienen als Vorlage zur Herstellung von Proteinen oder sind direkt an der Regulation der Genexpression beteiligt. Im Gegensatz zur relativ statischen Genomsequenz hängt die Zusammensetzung des Transkriptoms vom Entwicklungsstadium, dem Zelltyp, äußeren Einflüssen und vielem mehr ab. Sie ändert sich dynamisch während des gesamten Lebens einer Zelle. Veränderungen im Transkriptom lassen sich zum Beispiel herbeiführen, indem man eine Entzündung auslöst. Professor Philip Rosenstiel vom Institut für Klinische Molekularbiologie der Kieler Universität beschreibt ein Beispiel: „Wir analysieren derzeit in einem Experiment, welche Gene in der Schleimhaut bei chronisch-entzündlichen Darmerkrankungen aktiv sind und wie sich bestimmte Muster der Transkripte verändern. Aus dem Darmepithel isolieren wir die RNA und analysieren das Transkriptom. Anschließend kann man beginnen, Zustände miteinander zu vergleichen und zu beobachten, welche Gene wann angeschaltet werden. Besonders spannend ist es hier zu untersuchen, was sich bei Patienten verändert, die mit bestimmten Antikörpern behandelt werden, die Zytokine herausfangen. Möglicherweise kann man dann anhand dieser Muster vorhersagen, welche Patienten besonders gut auf solche Therapien ansprechen.“
Um diese Unterschiede im Transkriptom aufzuspüren, wurde im Nukleotid-Labor eine spezielle Technik entwickelt, erklärt der Sprecher des Cluster-Labors. „Das Problem ist“, so Rosenstiel, „in der Gesamtheit von Transkripten einer Zelle gehen einige wenige Neue eventuell unter, auch wenn sie ganz wichtig sind. Mit einem speziellen Kunstgriff kann man die Transkripte, die von einem bestimmten Zeitpunkt an neu synthetisiert werden, markieren und dann wie mit einem Magneten rausziehen. Dadurch kann man sich genau das anschauen, was sich geändert hat.“

Ein weiterer Fortschritt sei außerdem, dass man auch von einzelnen Zellen den Funktionszustand beschreiben könne. Bisher werde bei einer Genomanalyse etwa von Darmgewebe wegen der benötigten Probenmenge üblicherweise das komplexe Organ untersucht. Dabei gelangten die verschiedenen Zelltypen (Epithel-, Immun-, Bindegewebs-, Muskel- und Nervenzellen) gemeinsam in die Auswertung. „Das Cluster-Labor hat in den letzten Jahren intensiv an Methoden gearbeitet, die mit sehr wenig Material auskommen, welches zum Beispiel durch Mikrodissektion gewonnen wird. Dadurch gelingt es nun einzelne Zelltypen sehr genau zu untersuchen und die zum Teil völlig unterschiedlichen zellulären Programme im Rahmen einer Entzündungsantwort zu entschlüsseln.“

Einen besonderen Aufschwung in den letzten Jahren hat die Analyse des Mikrobioms erfahren. In diversen Experimenten wurde die Zusammensetzung der Mikrobengesellschaft im Darm und auch auf der Haut unter bestimmten Bedingungen analysiert. Im Cluster-Nukleotidlabor kann aber nicht nur erfasst werden, welche Arten vertreten sind. „Wir können darüber hinaus durch die Analyse der RNA auch ergründen, wer eigentlich aktiv ist und was diese Bakterien machen,“ so Professor John Baines vom Institut für Experimentelle Medizin in Kiel und Ko- Sprecher des Cluster-Labors.

 
Philip Rosenstiel ist Direktor am Institut für Klinische Molekularbiologie an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel und leitet die Arbeitsgruppe Molekulare Zellbiologie. Der Sprecher des Cluster-Labors VIII interessiert sich in der Forschung vor allem für die komplexen Wechselbeziehungen zwischen Umwelt und Darmschleimhaut von Gesunden und Kranken.

John Baines ist Professor für Evolutionäre Genomik an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU). Seine Berufung ist aufgeteilt zwischen der CAU und dem Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie in Plön. Forschungsschwerpunkte sind die Evolution von Krankheitsgenen sowie die genetische Grundlage der Symbiose zwischen Säugetieren mit ihrer Mikrobiota.

So könne zum Beispiel dargestellt werden, ob es bei Entzündung spezifische Veränderungen im Stoffwechsel der Bakterien gibt, etwa von einem Eiweiß- zu einem Kohlenhydratmetabolismus. „Kombiniert man dieses Muster mit dem Transkriptom von Darm- oder Hautzellen entlang eines Zeitverlaufes entsteht ein hochaufgelöstes Abbild von wechselseitigen Signalen, die mögliche Angriffspunkte für Therapien darstellen könnten“, so Baines.

Steckbrief Cluster-Labor VIII

Auf diesem Glasträger können in 8 physikalisch getrennten, mikrofluidischen Kanälen unterschiedliche Proben sequenziert werden. Dabei entsteht pro Lauf ein Datensatz von bis zu einer Terabase.

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