Die RNA-Sequenzierung ermöglicht es Wissenschaftlern, die Expression von Genen in einer Zelle zu untersuchen. Da Boten-RNA (mRNA) aus einem DNA-Gen generiert wird, kann diese Information verwendet werden, um die ursprüngliche Gensequenz zu identifizieren und somit die Aktivität von Tausenden von Genen (dh dem Transkriptom) in diesen Zellen zu messen.
Die Herausforderung bei der RNA-Sequenzierung besteht darin, mRNA aus einer bestimmten Zelle aus einer gemischten Population zu gewinnen – so kommen die meisten Zellen in der Natur vor. Zu diesem Zweck haben Wissenschaftler die „Einzelzell-RNA-Sequenzierung“ (scRNA-seq) entwickelt, die beispiellose Erkenntnisse für die Grundlagen- und biomedizinische Forschung und sogar die Arzneimittelentwicklung liefert.
Einführung in Live-seq
Nun haben Wissenschaftler aus den Gruppen der Professoren Bart Deplancke von der EPFL und Julia Vorholt von der ETH Zürich ein Problem mit scRNA-seq angegangen: die Notwendigkeit, Zellen zu lysieren (töten). Die Forscher unter der Leitung von Dr. Wanze Chen (EPFL) und Dr. Orane Guillaume Gentil (ETH Zürich) präsentieren Live-seq. Der innovative Ansatz hält die Zellen während der RNA-Extraktion für weitere Studien am Leben und ist gleichzeitig minimalinvasiv.
Der Schlüssel zu Live-seq ist eine Mikroskopietechnik namens „Fluidic Force Microscopy“ oder FluidFM, die mikroskopisch kleine Kanäle – dünner als menschliches Haar – verwendet, um winzige Flüssigkeitsmengen (Femtoliter) in einer Probe unter dem an der ETH Zürich entwickelten Mikroskop zu manipulieren Jahre zurück. Aus diesem Grund ermöglicht FluidFM den Benutzern, Substanzen in einzelne Zellen einzubringen oder Zytoplasma einschließlich mRNA aus einzelnen Zellen zu extrahieren, ohne sie töten zu müssen.
Der entscheidende Fortschritt, der zu Live-seq führte, entstand, als es den Forschern gelang, die mRNA (das Transkriptom) aus diesen winzigen Mengen einer zytoplasmatischen Probe zu konservieren und auszulesen. Infolgedessen kann Live-seq nun das Transkriptom einer Zelle zu einem bestimmten Zeitpunkt mit ihrem späteren molekularen oder phänotypischen Verhalten verbinden, dh die Aktivität von Tausenden von Genen in einer einzelnen Zelle zu bestimmten Zeitpunkten überwachen – was die Wissenschaftler als a bezeichnen „zeitliche“ Transkriptomanalyse.
„Mit Live-seq können wir jetzt auf einzigartige Weise hochinteressante und biomedizinisch relevante Fragen beantworten, etwa warum bestimmte Zellen differenzieren und Schwesterzellen nicht oder warum bestimmte Zellen gegen ein Krebsmedikament resistent sind, ihre Schwesterzellen aber wiederum nicht.“ sagt Bart Deplancke.
Beim Testen von Live-seq zeigten die Forscher, dass es verschiedene Zelltypen und -zustände genau identifizieren („stratifizieren“) kann, ohne größere Störungen einzuführen. Als Proof-of-Concept nutzten sie ihre neue Plattform, um die „Trajektorie“ einzelner Immunzellen (Makrophagen) vor und nach ihrer Aktivität sowie Fettstromazellen – eine Art Stammzellen – davor und danach direkt abzubilden sie differenzierten sich zu Fettzellen. Schließlich verwendete das Team Live-seq als „Transkriptom-Rekorder“, der es ihnen ermöglichte, vorherzusagen, wie stark – oder schwach – eine Immunzelle auf eine immunologische Herausforderung reagieren würde.
Die Arbeit ist jetzt erschienen in Natur. „Live-seq kann ein breites Spektrum biologischer Fragestellungen ansprechen, indem es scRNA-seq von einem Endpunkt- zu einem zeitlichen und räumlichen Analyseansatz umwandelt“, sagt Julia Vorholt.
Bart Deplancke, Live-seq ermöglicht die zeitliche transkriptomische Aufzeichnung einzelner Zellen, Natur (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05046-9. www.nature.com/articles/s41586-022-05046-9