Präzises genetisches „Targeting“ von zellulären Subpopulationen 

Einleitung

Die moderne Hirnforschung verfügt heute über eine Vielzahl genetischer Werkzeuge, mit denen sich Neuronen gezielt markieren sowie an- oder abschalten lassen. Mithilfe sogenannter chemo- und optogenetischer Methoden können Forschende neuronale Aktivitäten durch bestimmte chemischen Moleküle oder durch Licht steuern und so besser verstehen, wie komplexe Netzwerke im Gehirn funktionieren. Das Gehirn ist jedoch keine homogene Einheit, sondern ein hochkomplexes Mosaik aus verschiedensten Zelltypen, die sich wiederum in spezialisierte Subpopulationen mit individuellen Funktionen und Aufgaben aufteilen. Um diese funktionell voneinander abgrenzen zu können, braucht es ein präzises genetisches System.

Seit der Entwicklung des Gen Targeting ist diese Methode aus der modernen biomedizinischen Forschung nicht mehr wegzudenken. Die konditionale Mutagenese geht noch einen Schritt weiter: Hier entfernt das Enzym Cre-Rekombinase gezielt DNA-Sequenzen zwischen zwei loxP-Stellen. Indem man einen bestimmten Genabschnitt mit loxP-Stellen flankiert und die Cre-Expression zeitlich oder zelltypspezifisch steuert, erhält man transgene Mäuse, bei denen die Genveränderung nur in den gewünschten Geweben erfolgt [1]. Dank zahlreicher verfügbarer Cre-Stämme lässt sich heute nahezu jeder Zelltyp gezielt manipulieren. Moderne Techniken wie CRISPR/Cas9 sowie Projekte wie KOMP (Knock out mouse project) erleichtern die Herstellung solcher Mausmodelle erheblich.

Eine weitere Schlüsseltechnologie zur Untersuchung zelltypspezifischer Genexpression ist die Einzelzell-RNA-Sequenzierung (englisch: single-cell RNA sequencing, scRNA-seq). Diese Methode analysiert Genexpression auf Einzelzellebene und ermöglicht es, molekular definierte Subpopulationen von Zelltypen mit unterschiedlichen oder sogar gegensätzlichen physiologischen Funktionen zu identifizieren. Lange war es schwierig, diese Subpopulationen funktionell zu untersuchen, da diese oft durch die gleichzeitige Expression mehrerer Marker-Gene definiert werden.

Intersektionelle Genetik ermöglicht Manipulation zellulärer Subcluster

Um das Problem zu lösen, kombinierten wir zwei genetische Schaltsysteme miteinander, die bisher getrennt eingesetzt wurden: das bereits etablierte Cre/loxP-System und das neu entwickelte Dre/rox-System. Dadurch wurde es erstmals möglich, sehr spezifische Neuronen-Untergruppen gezielt zu untersuchen [2].

Dabei konzentrieren wir uns auf die sogenannten POMC-Neurone im Hypothalamus. Dieses Hirnareal spielt eine zentrale Rolle bei der Regulation von Hunger und Energiehaushalt. Wir entwickelten eine Mauslinie, in der das Dre-Enzym ausschließlich in POMC-Neuronen aktiv ist, und kombinierten diese mit weiteren Mauslinien, in denen Cre in bestimmten hormonempfindlichen Neuronen vorkommt [2].  Nur dort, wo beide genetischen „Schalter“ gleichzeitig aktiv waren, wurden die gewünschten genetischen Werkzeuge eingeschaltet. Auf diese Weise konnten erstmals klar voneinander getrennte Untergruppen von POMC-Neuronen gezielt sichtbar gemacht und funktionell untersucht werden.

In einer weiteren Studie nutzten wir dieselbe Strategie, um unterschiedliche sensorische Nervenzellen zu erforschen, die den Darm mit dem zentralen Nervensystem verbinden. Es gelang uns, neuronale Schaltkreise zu identifizieren, die entweder das Ende einer Mahlzeit steuern oder während des Fastens den Blutzuckerspiegel stabil halten [3].

Anwendungen über das Nervensystem hinaus

Das Prinzip der intersektionellen Genetik ist nicht auf das Nervensystem beschränkt. Es lässt sich grundsätzlich auf alle Gewebe anwenden, die aus verschiedenen Zelluntergruppen bestehen. Ein Beispiel ist das Darmepithel, das sich ständig erneuert und dabei unterschiedliche spezialisierte Zelltypen hervorbringt – darunter auch seltene enteroendokrine Zellen, die hormonelle Signale an das Gehirn senden. Diese enteroendokrinen Zellen lassen sich anhand der von ihnen produzierten Hormone unterscheiden. Bisher war ihre gezielte Untersuchung schwierig, da die genetischen Marker auch in anderen Geweben aktiv sind.

Mithilfe der intersektionellen Cre/Dre-Strategie gelang es uns erstmals, eine bestimmte Untergruppe dieser Zellen – sogenannte I-Zellen – gezielt zu markieren und zu verfolgen [4]. Durch die gezielte Kombination mehrerer genetischer Schalter stellten wir sicher, dass die Markierung nur reife I-Zellen betraf, nicht aber deren Vorläuferzellen. Das bedeutet: bereits eine leichte Anpassung des intersektionellen Prinzips reicht aus, um sehr spezifische biologische Fragestellungen zu beantworten.

Zusammenfassend ermöglicht das Cre/Dre-System eine bislang unerreichte Präzision bei der genetischen Manipulation ausgewählter Zelluntergruppen. Diese Methode eröffnet neue Möglichkeiten für die Grundlagenforschung und wird künftig voraussichtlich in vielen grundlegenden Bereichen der Biologie und Medizin Anwendung finden.

Literaturhinweise