Durch Genomaufzeichnung werden lebende Zellen zu ihren eigenen Historikern

Genomen kann heute die Aufgabe anvertraut werden, Informationen über eine Vielzahl flüchtiger biologischer Ereignisse in lebenden Zellen zu speichern, während diese stattfinden, ähnlich einem Flugschreiber, der Daten eines Flugzeugs sammelt.

„Unsere Methode, die unter dem Akronym ENGRAM bekannt ist, zielt darauf ab, Zellen in ihre eigenen Historiker zu verwandeln“, sagte Dr. Jay Shendure, Professor für Genomwissenschaften an der University of Washington School of Medicine und wissenschaftlicher Direktor des Brotman Baty Institute for Precision Medicine. Shendure leitete das Projekt zusammen mit Wei Chen, einem ehemaligen Doktoranden, und Junhong Choi, einem ehemaligen Postdoktoranden. Choi ist jetzt Assistenzforscher am Memorial Sloan Kettering Cancer Center in New York.

ENGRAM steht für „Enhancer-Driven Genomic Recording of Transcriptional Activity in Multiplex“. Das Akronym wurde von einem Begriff aus der Neurowissenschaft inspiriert, der sich auf die physische Grundlage einer Erinnerung bezieht.

Ein Proof-of-Concept-Bericht, der einige der Fähigkeiten von ENGRAM demonstriert, ist veröffentlicht heute, 17. Juli, in Natur.

„ENGRAM koppelt jede Art von biologischem Signal oder Ereignis an einen symbolischen Barcode. Dieser Ansatz bietet eine neuartige Methode zur Aufzeichnung und ergänzt zuvor entwickelte molekulare Aufzeichnungstechniken“, sagte Wei Chen, der jetzt Postdoktorand am UW Medicine Institute for Protein Design ist.

Diese neue Strategie verfolgt und archiviert die Art und den Zeitpunkt biologischer Signale, indem diese Informationen in das Genom eingefügt werden. Dies kann beispielsweise die Überwachung der Befehle umfassen, die Gene ein- oder ausschalten. Solche Aufzeichnungen könnten Hinweise darauf enthalten, was in Stammzellen geschieht, um sie dazu anzuregen, sich in andere Zelltypen zu verwandeln. Sie könnten auch Einblicke in andere Fragen darüber bieten, wie Zellen funktionieren und wie ihre Vergangenheit ihre Zukunft beeinflusst.

Shendure sagte, dass die Idee, eine biologische Aufzeichnung zellulärer Aktivitäten zu erstellen, alt ist. Allerdings hatten Forscher Schwierigkeiten, mehr als eine Handvoll Signale im selben System zu messen und die Reihenfolge aufzuzeichnen, in der mehrere Signale auftraten.

Vor einigen Jahren überwanden Choi, Shendure und ihre Kollegen einige dieser Hindernisse mit einer Methode namens DNA Typewriter. Mit diesem System konnten Forscher viele Symbole in geordneter Weise in DNA schreiben. Die Herausforderung bestand jedoch weiterhin darin, jedem Symbol eine biologische Bedeutung zuzuordnen.

„Eine DNA-Schreibmaschine ist vergleichbar mit einer Tastatur mit vielen Symbolen. Mit ENGRAM machen wir diese Symbole spezifisch für verschiedene interessante biologische Signale“, sagte Shendure.

In der Arbeit beschrieben Shendure und sein Team, wie man durch symbolische Aufzeichnung die Aktionen nicht-kodierender DNA-Regionen verfolgen kann, die die Proteinproduktion benachbarter Gene steuern. Sie zeigten auch, wie ENGRAM und DNA Typewriter kombiniert werden können. Den Wissenschaftlern gelang es, zelltypspezifische Aktivitäten von Dutzenden bis Hunderten solcher genregulatorischer Elemente aufzuzeichnen.

Einige der von ihnen verfolgten Regionen sind Teil von Genregulationsnetzwerken, die verschiedenen Aspekten der Embryonalentwicklung zugrunde liegen. Andere von ihnen verfolgte Signale vermitteln Zellreaktionen auf Stress, Immunreaktionen auf Infektionen und das Zellüberleben.

Sie verwendeten ENGRAM auch, um täglich Aufzeichnungen von Mausstammzellen zu machen, während diese sich zu embryonalen Organoiden zusammenschlossen, einem Labormodell der pränatalen Mausentwicklung. ENGRAM könnte eines Tages helfen, zu beantworten, wie zum Beispiel eine Geschichte zellulärer Signalereignisse die individuellen Merkmale eines Mausembryos geformt hat.

„Da wir von den neuen Fortschritten im CRISPR-Bereich bei der Entwicklung der Systeme ENGRAM und DNA Typewriter inspiriert wurden, kann ich mir vorstellen, dass diese Arbeiten auch andere dazu inspirieren werden, die Technologien zur Genomaufzeichnung weiter zu verbessern – so dass wir vielleicht eines Tages die gesamte Zellgeschichte aufzeichnen können“, sagte Choi.

Die Forscher, die ENGRAM entwickeln, sagen, dass noch Arbeit nötig ist, um das Potenzial dieses Systems und verwandter genombasierter Aufzeichnungstechnologien auszuschöpfen.

„Dies ist eine Strategie zur Erfassung biologischer Informationen in lebenden Systemen. Sie ist nicht auf ein bestimmtes Gebiet wie Krebs oder Neurowissenschaften beschränkt und wird hoffentlich allgemein von Nutzen sein“, sagte Shendure.

Shendure merkte an, dass die in dem Artikel behandelte Forschung eine wichtige Rolle bei der Entwicklung des Seattle Hub for Synthetic Biology gespielt habe, einer im vergangenen Dezember ins Leben gerufenen Zusammenarbeit zwischen dem Allen Institute, der Chan Zuckerberg Initiative und der University of Washington. Das Projekt, dessen wissenschaftlicher Leiter Shendure ist, entwickelt neue Technologien, um die Geschichte von Zellen im Laufe der Zeit aufzuzeichnen.