Zellen verändern sich im Laufe der Zeit dynamisch während der Embryonalentwicklung und des Alterungsprozesses sowie bei Krankheiten wie Entzündungen und Krebs. Manche Populationen wachsen, andere gehen zurück. Die Möglichkeit, diese Veränderungen im Laufe der Zeit zu verfolgen, ohne die gemessenen Zellen abzutöten, würde aussagekräftige Einblicke in viele Prozesse liefern.
RNA-Moleküle, die als Anweisungen für die Herstellung der Proteine dienen, die die Zelle für ihre verschiedenen Funktionen verwendet, können genaue Hinweise darauf geben, was im Inneren der Zellen vor sich geht. Aktuelle, hochmoderne Technologien zur Untersuchung von RNA erfordern jedoch das Töten der Zelle: das Aufbrechen, um alle darin enthaltenen Moleküle zu sammeln und zu analysieren. Dies bedeutet, dass Forscher nur eine Momentaufnahme des Zustands der Zelle in dem Moment vor ihrem Absterben erfassen können, anstatt zu beobachten, wie sie sich im Laufe der Zeit entwickelt und verändert.
Das „Lesen“ der RNA in einer Zelle ist eine nützliche Methode, um biologische Prozesse zu untersuchen, aber das eigentliche Herumbasteln oder „Schreiben“ der RNA in einer Zelle ist ein wirksames Instrument, um das Zellverhalten zu beeinflussen und damit Krankheiten zu behandeln. Beispielsweise wirken mehrere Impfstoffe gegen COVID-19, indem sie Boten-RNA (mRNA) in eine Zelle transportieren und so die Produktion von Antikörpern gegen das Virus induzieren. RNA könnte ein nützliches Mittel zur Behandlung verschiedener Krankheiten sein, aber es war eine Herausforderung, sie in die richtigen Zellen zu bringen.
Jetzt haben Caltech-Forscher ein einziges System entwickelt, das beide Herausforderungen beim „Lesen“ und „Schreiben“ von RNA angeht. Die neue Technologie ermöglicht es Wissenschaftlern, die RNA in Zellen im Laufe der Zeit zu untersuchen, ohne sie zu zerstören, und bietet so eine neue Möglichkeit, unzählige zelluläre Prozesse von der Embryonalentwicklung bis hin zu Krebs zu verfolgen. Bemerkenswerterweise ermöglicht das gleiche System auch die Programmierung von Zellen zur Abgabe von RNA an andere Zellen, was die Möglichkeit eröffnet, zelluläres Verhalten auf spezifische Weise zu manipulieren und möglicherweise neue Therapiestrategien zu ermöglichen.
„Es gibt viele Prozesse in der Biologie, bei denen wir wissen wollen, wie sich Zellen im Laufe der Zeit verändern“, sagt Postdoktorand Felix Horns, Erstautor der Studie. „Zum Beispiel entwickelt sich der Embryo während der Entwicklung zu vielen verschiedenen Geweben, indem er den Zellzustand verändert. Zahlreiche Krankheiten wie Krebs sind Prozesse, die sich im Laufe der Zeit entwickeln, und natürlich erfolgt auch das Altern durch Veränderungen im Laufe der Zeit.“
„RNA spielt die zentrale Rolle dabei, der Zelle zu sagen, was sie tun soll“, fügt Horns hinzu. „Wenn wir die RNA messen können, die eine Zelle exprimiert, können wir ablesen, was sie tut. Darüber hinaus können wir, wie wir alle in den letzten Jahren in Form von RNA-Impfstoffen gesehen haben, Anweisungen in eine Zelle geben und.“ programmieren, was es tut, indem es mRNA liefert.“
„Das Erstaunliche ist, dass dasselbe molekulare Gerät – unser RNA-Exportsystem – die beiden scheinbar unabhängigen Herausforderungen der Auslesung und Kontrolle angeht“, sagt Michael Elowitz, Professor für Biologie und Bioingenieurwesen und Forscher am Howard Hughes Medical Institute.
Die Forschung wurde hauptsächlich im Elowitz-Labor durchgeführt und ist eine Zusammenarbeit mit den Labors von zwei weiteren Caltech-Fakultäten: Pamela Bjorkman, David Baltimore-Professorin für Biologie und Biotechnik und Professorin des Merkin Institute; und Carlos Lois, Forschungsprofessor für Biologie. In der Zeitschrift erschien ein Artikel, der die Studie beschreibt Zelle.
Das neue System mit dem Namen COURIER (Controlled Output and Uptake of RNA for Interrogation, Expression, and Regulation) ermöglicht den RNA-Export aus Zellen. Mit COURIER kann man eine Zelle gentechnisch so manipulieren, dass sie einen Teil ihrer eigenen RNA in kleine, sich selbst zusammensetzende Proteinbehälter verpackt und sie dann in einem membrangebundenen Vesikel „versendet“ (oder absondert).
Beispielsweise könnten Forscher die Boxen so programmieren, dass sie eine bestimmte Art von RNA verpacken, die ein Zeichen für eine Krankheit ist, oder eine spezifische „zelluläre Identifikationskarte“, um den Forschern mitzuteilen, welche Zelle sie betrachten. Alternativ könnten sie die Boxen so programmieren, dass sie eine Probe der gesamten in einer Zelle vorhandenen RNA einkapseln und so einen Überblick darüber geben, was die Zelle im weiteren Sinne tut.
In jedem Fall verlassen die kleinen RNA-Pakete die Zelle und ermöglichen es den Forschern, Beweise für das Innenleben der Zelle zu sammeln und zu analysieren, ohne sie zu stören. Auf diese Weise können Forscher mithilfe von COURIER und exportierter RNA verfolgen, wie sich Zellpopulationen im Laufe der Zeit bei dynamischen Prozessen wie Krebs oder der Embryonalentwicklung verändern.
Die zweite Anwendungskategorie für COURIER ist die Bereitstellung von Therapeutika. Nach dem Export aus der Zelle kann der Proteinbehälter an eine andere Zelle andocken und dort RNA abgeben. Diese Zelle kann dann von der RNA kodierte Proteine exprimieren, die für eine Vielzahl von Funktionen konzipiert werden können: das Bearbeiten des Genoms, das Ändern des Zustands der Zelle oder das Abtöten der Zelle, wenn sie sich in einem erkrankten Zustand befindet.
Derzeit funktionieren mRNA-Impfstoffe gegen COVID-19 ähnlich: Sie liefern mRNA, die für Fragmente des SARS-CoV-2-Virus kodiert, und induzieren anschließend die Produktion von Antikörpern. Die mRNA-Verabreichung könnte neben Impfstoffen auch eine Reihe verschiedener Arten von Medikamenten ermöglichen. Eine zentrale Herausforderung bestand jedoch darin, mRNA an die relevanten Zelltypen zu liefern.
„Lebende Zellen könnten im Prinzip als programmierbare mRNA-Abgabevehikel fungieren, die therapeutische mRNA zu den richtigen Zellen an den richtigen Stellen im Körper bringen“, sagt Elowitz. „Um diese Vision zu verwirklichen, brauchen wir eine Möglichkeit, spezifische mRNAs in einem Format zu exportieren, das von anderen Zellen aufgenommen und exprimiert werden kann. Genau das bietet dieses System. COURIER ermöglicht es einer Zelle, mRNA zu produzieren und sie dann in Partikel zu verkapseln, die sie liefern.“ es an andere Zellen weiter, die es dann ausdrücken.
Mehr Informationen:
Felix Horns et al., Engineering des RNA-Exports zur Messung und Manipulation lebender Zellen, Zelle (2023). DOI: 10.1016/j.cell.2023.06.013