Wissenschaftler*innen des Berlin Institute of Health in der Charité (BIH) und des MDC haben gemeinsam mit Forscher*innen aus den USA und Japan die Analyse von Einzelzellen auf eine neue Stufe der Präzision gehoben: Sie kombinierten Methoden, mit denen man die mRNA, die strukturelle Zugänglichkeit der DNA, die hergestellten Proteine sowie Mutationen in der mitochondrialen DNA bestimmt, und waren so in der Lage, alle diese Informationen von tausenden einzelner Zellen gleichzeitig zu erfassen. Ihre Ergebnisse haben sie nun in der Zeitschrift Nature Biotechnology veröffentlicht.

Bislang verstanden Biolog*innen unter der Single-Cell-Analyse insbesondere die Bestimmung des messenger RNA (mRNA)-Profils einzelner Zellen. Diese Botenstoffe überbringen die Information aus dem Erbgut im Zellkern, der DNA, in das Zellplasma, wo die mRNA in Eiweiß (Protein) übersetzt wird. In jeder Zelle ist der Gehalt und die Zusammensetzung der mRNA individuell verschieden. So werden in Nervenzellen andere Proteine benötigt als in Leberzellen und entsprechend andere Gene auf der DNA abgelesen und in mRNA umgeschrieben.

Copyright: Felix Petermann, MDC

„Das Bild von der Zelle allein auf Basis des mRNA-Profils ist jedoch unvollständig“, erklärt Leif S. Ludwig, Leiter der Emmy-Noether-Nachwuchsgruppe „Stammzelldynamiken und mitochondriale Genomik“ am BIH und MDC, und einer der leitenden Autoren der nun veröffentlichten Arbeit. Die Gruppe gehört seit kurzem dem gemeinsamen Forschungsfokus „Single-Cell-Ansätze für die personalisierte Medizin“ an, den das BIH in der Charité gemeinsam mit dem MDC und der Charité gegründet hat. „Es werden nicht immer alle mRNA-Moleküle 1:1 in Protein übersetzt und nicht für jedes Gen ist die Menge an mRNA gut messbar. Wenn wir nun gleichzeitig die Proteinmenge bestimmen können, gibt uns das ein umfassenderes Bild von den Vorgängen in der Zelle.“

Verstehen, warum die Zelle manche Gene häufiger abliest

Gemeinsam mit einem internationalen Team von Kolleg*innen aus den USA und Japan bestimmten die Wissenschaftler*innen neben der mRNA und Protein-Profilen auch die „Zugänglichkeit“ der DNA in einzelnen Zellen. Denn das Erbgut der Zelle liegt nicht ungeschützt im Kern, sondern bildet einen dichten Komplex namens Chromatin: Stellen, an denen das Chromatin lockerer vorliegt, können leichter in mRNA abgeschrieben werden, besonders dichte Stellen werden kaum benutzt. „Daraus können wir erkennen, ob die DNA-Struktur mit der mRNA-Menge zusammenhängt, und können so besser verstehen, warum manche Gene häufiger als andere abgelesen werden“, sagt der promovierte Biochemiker und Humanmediziner.

Mit seiner Gruppe, die am Berliner Institut für medizinische Systembiologie ( BIMSB ) des MDC angesiedelt ist, erforscht Leif S. Ludwig zudem das Erbgut von Mitochondrien – den „Kraftwerken“ der Zelle – welche über eine eigene DNA verfügen. So untersuchen sie beispielsweise, wie sich Veränderungen in der mitochondrialen DNA auf Erkrankungen beim Menschen auswirken. „Es lag daher für uns nahe, auch die mitochondriale DNA in die Single Cell Analyse mit einzubeziehen“, erklärt Leif S. Ludwig. Damit sind die Wissenschaftler*innen die ersten weltweit, die bei der Einzelzellanalyse vier Parameter gleichzeitig untersuchen können. Und das ist wichtig, auch für die Medizin. „Je genauer es uns gelingt, zum Beispiel Krebszellen unter die Lupe zu nehmen, desto besser verstehen wir, was in der Zelle falsch läuft. Und können damit auch die Behandlung präzise anpassen.“

Die klinische Anwendung seiner Ergebnisse verfolgt er unter anderem gemeinsam mit seinen klinischen Partnern an der Charité, den Direktoren der Medizinischen Kliniken mit Schwerpunkt Hämatologie, Onkologie und Tumorimmunologie, Professor Lars Bullinger am Charité Campus Virchow-Klinikum (CVK) sowie Professor Ulrich Keller am Charité Campus Benjamin Franklin (CBF).

Berlin Institute of Health