Pressemitteilung

Computational Biology
26.04.2018

Kompletter Zellatlas eines unsterblichen Plattwurms

Von einer einzigen Stammzelle zur Vielzahl hochdifferenzierter Körperzellen: Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben in „Science“ den vollständigen zellulären Stammbaum eines ausgewachsenen Organismus publiziert. Entscheidend war der kombinierte Einsatz von RNA- und computerbasierten Technologien durch die Helmholtz-Kollegen vom Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin (MDC) und vom Helmholtz Zentrum München.

Das Forscherteam konnte einen detaillierten Zellatlas des Plattwurms Schmidtea mediterranea erstellen. © Salah Ayoub, BIMSB/MDC and Jordi Solana, BIMSB/MDC

Wie werden aus einheitlichen Stammzellen komplexe Körperzellen mit sehr unterschiedlichen Funktionen? Die Differenzierung von Stammzellen in verschiedenste Körperzellen ist eine zentrale noch ungelöste Frage der modernen Medizin.

Das Forscherteam aus Berlin und München hat durch Kombination von Einzelzell-RNA-Technologie mit Nukleinsäure-Sequenzierung und computerbasierten Analysemethoden den detaillierten Zellatlas eines komplexen ausgewachsenen Organismus, des Plattwurms Schmidtea mediterranea, erstellt und einen detaillierten Stammbaum der identifizierten Zellen rekonstruiert.

Die Arbeit gibt darüber hinaus Einblick in die molekularen Vorgänge bei der Geweberegeneration. „Sie öffnet die Tür für neue Forschungsansätze, die sich mit der zellulären Zusammensetzung von Organen und Geweben oder den molekularen Mechanismen der Regeneration befassen“, erklärt Studienleiter Prof. Nikolaus Rajewsky, Leiter des Berlin Institute for Medical Systems Biology (BIMSB), MDC.

Umfassender Stammbaum mit 23 Differenzierungswegen ausgehend von Stammzellen

Plattwürmer wie Schmidtea mediterranea sind als Studienobjekte sehr geeignet, weil sie unsterblich sind und sich aus einzelnen Teilstücken wieder zum kompletten Organismus regenerieren können. Mit Hilfe einer großen Anzahl an Stammzellen erneuern diese Tiere ständig alle Gewebe und Zelltypen. „Um besser zu verstehen, wie sich verschiedenste Zelltypen ausdifferenzieren, müssen wir die Genexpressionsprofile von Zellen unterschiedlicher Differenzierungsstadien vergleichen, so wie man sie bei Plattwürmern findet“, sagt Erstautorin Dr. Mireya Plass vom MDC. „Wir haben ganze Würmer zerlegt und tausende verschiedener Zellen auf ihre RNA-Transkripte untersucht.“ So konnten 37 unterschiedliche Zelltypen identifiziert werden, 23 davon im spätesten Differenzierungsstadium, außerdem mehrere Stammzell-Typen und unterschiedliche Vorläuferzellen.

„Mit Hilfe des von uns entworfenen Computer-Algorithmus PAGA, war es anschließend möglich, aus diesem Datensatz einen Stammbaum zu errechnen, der alle identifizierten Zelltypen einschließt und aus einer Gruppe von Stammzellen entsteht“, erklärt Prof. Dr. Fabian Theis, Direktor des Instituts für Computational Biology (ICB) am Helmholtz Zentrum München und Professor für Mathematische Modelle biologischer Systeme an der TU München. Zusammen mit dem Machine Learning Experten Dr. Alexander Wolf vom ICB war er zuständig für die computerbasierten Analysemethoden.

Um den Stammbaum wissenschaftlich abzusichern und möglichst robust zu machen, wurde der Entwurf mit Daten aus weiteren computerbasierten und experimentellen Analysen abgeglichen: Dazu gehörten Sequenzierungen von gereinigten Stammzellen oder differenzierten Zellen, Änderungen im Muster der Genexpression, Zell-Stammbaumvorhersagen mit PAGA und Ergebnisse eines neuen Algorithmus, velocyto. Mit velocyto können zukünftige Stadien der Zellentwicklung aus dem Verhältnis von Vorstufen und fertigen Boten-RNA Molekülen vorhergesagt werden. Dem Forscherteam ist es zudem gelungen, neue Genprogramme zu identifizieren, die bei den verschiedenen Differenzierungswegen wichtig sind. 

Darüber hinaus fanden die Wissenschaftler mehrere neue Zelltypen im Parenchym der Plattwürmer, die bei früheren molekularbiologischen Untersuchungen übersehen wurden, aber eine wichtige Rolle für die Regeneration spielen. Der Anteil dieser Zellen ist bei Würmern, die Körperteile regenerieren müssen, erheblich reduziert. Dies weist darauf hin, dass diese Zellen und ihre Abbauprodukte als „Treibstoff“ die nötige Energie für den Umbau und Wiederaufbau des Gewebes liefern. „Die Einzelzell-Biologie wird für die Entwicklungs- und Regenerationsbiologie unverzichtbar werden“, fasst Nikolaus Rajewsky zusammen. 

Weitere Informationen

Wissenschaftler weltweit haben ab sofort Zugang zu den neuen Daten zur Plattwurm-Biologie und den Methoden, die für die Analysen verwendet wurden. Die Arbeit ermöglicht Studien zu Stammzellen und ihren Stammbäumen auch in einer Vielzahl anderer Organismen und Lebewesen. Damit nicht nur die Plattwurm-Experten davon profitieren, sondern auch für Wissenschaftler, die ähnliche Studien an anderen Organismen durchführen wollen, haben die Forscher eine Art "Kochanleitung" verfasst. Mit Hilfe einer interaktiven App (https://shiny.mdc-berlin.de/psca/) können Veränderungen im Expressionsverhalten von Genen bei der Differenzierung von Zellen nachvollzogen werden. Ein Tutorial mit einer detaillierten Anleitung für die Anwendung des PAGA-Algorithmus ist unter https://github.com/rajewsky-lab/planarian_lineages zu finden. Hier geht es zur Meldung des MDC „Der komplette Zellatlas und Stammbaum eines unsterblichen Plattwurms“ vom 19. April 2018. 

Original-Publikation:
Plass, M. et al. (2018): Cell type atlas and lineage tree of a whole complex animal by single-cell transcriptomics. Science, DOI:10.1126/scienc.aaq1723

Methoden Paper:
Wolf, A. et al. (2018): Graph abstraction reconciles clustering with trajectory inference through a topology preserving map of single cells. DOI: doi.org/10.1101/208819

Das Helmholtz Zentrum München verfolgt als Deutsches Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt das Ziel, personalisierte Medizin für die Diagnose, Therapie und Prävention weit verbreiteter Volkskrankheiten wie Diabetes mellitus und Lungenerkrankungen zu entwickeln. Dafür untersucht es das Zusammenwirken von Genetik, Umweltfaktoren und Lebensstil. Der Hauptsitz des Zentrums liegt in Neuherberg im Norden Münchens. Das Helmholtz Zentrum München beschäftigt rund 2.300 Mitarbeiter und ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, der 18 naturwissenschaftlich-technische und medizinisch-biologische Forschungszentren mit rund 37.000 Beschäftigten angehören. 

Das Institut für Computational Biology (ICB) führt datenbasierte Analysen biologischer Systeme durch. Durch die Entwicklung und Anwendung bioinformatischer Methoden werden Modelle zur Beschreibung molekularer Prozesse in biologischen Systemen erarbeitet. Ziel ist es, innovative Konzepte bereitzustellen, um das Verständnis und die Behandlung von Volkskrankheiten zu verbessern.