Aufbau menschlicher Muskelgene in der DNA der Bäckerhefe

Der Biotechnologin Pascale Daran-Lapujade und ihrer Gruppe an der Technischen Universität Delft ist es gelungen, menschliche Muskelgene in die DNA von Bäckerhefe einzubauen. Dies ist das erste Mal, dass Forscher ein so lebenswichtiges menschliches Merkmal erfolgreich in eine Hefezelle eingebracht haben. Ihre Forschung wurde in veröffentlicht Zellberichte.

Das Merkmal, das das Labor von Daran-Lapujade den Hefezellen hinzufügte, wird von einer Gruppe von zehn Genen bestimmt, ohne die Menschen nicht überleben können; sie enthalten den Bauplan für einen sogenannten Stoffwechselweg – einen Prozess, der Zucker abbaut, um Energie zu gewinnen und Zellbausteine ​​in Muskelzellen aufzubauen. Dieser Prozess spielt bei vielen Krankheiten wie Krebs eine Rolle, sodass die modifizierte Hefe als Werkzeug in der medizinischen Forschung dienen könnte. „Jetzt, da wir den gesamten Prozess verstehen, können medizinische Wissenschaftler dieses humanisierte Hefemodell als Werkzeug für das Arzneimittel-Screening und die Krebsforschung verwenden“, sagt Daran-Lapujade.

Menschen und Hefe sind ähnlich

Laut Daran-Lapujade gibt es viele Ähnlichkeiten zwischen einer Hefe und einem Menschen: „Es scheint seltsam, da Hefen als einzelne Zellen leben und Menschen aus einem wesentlich komplexeren System bestehen, aber die Zellen auf sehr ähnliche Weise funktionieren .“ Daher ist es in der Wissenschaft durchaus üblich, menschliche Gene in eine Hefe zu transplantieren. Da Forscher alle anderen Wechselwirkungen im menschlichen Körper beseitigen können, bietet Hefe eine saubere Umgebung, in der sie nur einen Prozess untersuchen können.

„Im Vergleich zu menschlichen Zellen oder Geweben ist Hefe ein fantastischer Organismus, da sie einfach zu züchten und genetisch zugänglich ist: Ihre DNA kann leicht modifiziert werden, um grundlegende Fragen zu beantworten.“ Daran-Lapujade erklärt. „Viele entscheidende Entdeckungen wie der Zellteilungszyklus wurden dank Hefe aufgeklärt.“

Humanisierte Hefe

Zuvor gelang es der Gruppe von Daran-Lapujade, künstliche Chromosomen herzustellen, die als DNA-Plattform für den Einbau neuer Funktionen in Hefe dienen. Von dort aus wollten sie sehen, wie weit sie mit dem Hinzufügen mehrerer menschlicher Gene und ganzer Stoffwechselwege gehen könnten und ob die Zellen als Ganzes noch funktionieren würden. „Was wäre, wenn wir dieselbe Gruppe von Genen, die den Zuckerverbrauch und die Energieproduktion menschlicher Muskeln steuert, in Hefe nehmen?“ fragte sich Daran-Lapujade. „Können wir eine so essentielle und komplexe Funktion in Hefe humanisieren?“

Mit überraschender Leichtigkeit, Ph.D. Studenten und Co-Erstautoren Francine Boonekamp und Ewout Knibbe gelang es, eine humanisierte Hefe zu konstruieren. „Wir haben nicht nur die menschlichen Gene in Hefe transplantiert, sondern auch die entsprechenden Hefegene entfernt und komplett durch die menschlichen Muskelgene ersetzt“, erklärt Daran-Lapujade. „Man könnte denken, dass man die Hefeversion nicht durch die menschliche ersetzen kann, weil es sowohl in menschlichen als auch in Hefezellen ein so spezifischer und streng regulierter Prozess ist. Aber es funktioniert wie ein Zauber.“

Weiter humanisieren

Die Forscher haben mit dem Labor von Professor Barbara Bakker (University Medical Center Groningen) zusammengearbeitet, wo sie die Expression menschlicher Gene in Hefe und in ihrer natürlichen menschlichen Muskelumgebung anhand von im Labor gezüchteten menschlichen Gewebezellen vergleichen konnten. Die Eigenschaften von in Hefe und in ihren nativen menschlichen Zellen produzierten menschlichen Enzymen waren bemerkenswert ähnlich, was den Wert der neuen humanisierten Hefe als Modell für menschliche Zellen unterstreicht.

Dieser eine Prozess ist nur ein kleiner Teil des menschlichen Stoffwechsels; Es gibt viele weitere ähnliche Prozesse zwischen Hefe und menschlichen Zellen, die in humanisierten Hefen untersucht werden könnten. Während sich Daran-Lapujade auf die grundlegenden und technologischen Aspekte der technischen Hefe konzentriert und daher nicht plant, Anwendungen der humanisierten Hefe selbst zu untersuchen, hofft sie, mit anderen Wissenschaftlern zusammenzuarbeiten, die an der Verwendung des Werkzeugs interessiert sind. „Das ist nur der Anfang“, sagt sie, „wir können Hefe weiter humanisieren und Schritt für Schritt eine komplexere menschliche Umgebung in Hefe aufbauen.“