Könnten Patienten in Zukunft einfach ein diagnostisches Probiotikum auf Basis von programmierten Ribonukleinsäuren einnehmen, um ihre Darmgesundheit anhand einzelner Zellen zu analysieren? Forscher des Helmholtz-Instituts für RNA-basierte Infektionsforschung (HIRI) und der Julius-Maximilians-Universität (JMU) in Würzburg haben eine neue Technologie namens TIGER entwickelt. Es erlaubt, komplexe Prozesse in einzelnen Zellen in vivo zu entschlüsseln, indem vergangene RNA-Transkripte aufgezeichnet werden. Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift veröffentlicht Naturbiotechnologie am 5. Januar 2023.
Bakterielle und virale Infektionen können schwere akute Symptome verursachen, aber auch verheerende Langzeitfolgen haben, wie zum Beispiel das Auslösen von Krebs. Daher suchen Wissenschaftler nach neuen Ansätzen und Technologien, um Krankheitsverläufe besser zu verstehen und die Entwicklung von Zellen und Geweben vorherzusagen. Mit immer präziseren Methoden analysieren sie die zugrunde liegenden Prozesse in einzelnen Zellen. Ein Ziel ist es, Veränderungen in der Genaktivität zu erkennen, die wiederum auf ein pathologisches Ereignis hinweisen können.
Ribonukleinsäuren (RNAs) leisten einen wichtigen Beitrag zu diesem Verständnis. Sie können genetische Aktivität nachweisen, da nur aktive Gene RNA-Kopien (Transkripte) in einem als Transkription bezeichneten Prozess produzieren. Bei der Transkription exprimierte RNA-Moleküle repräsentieren jedoch nur einen aktuellen Zustand. Es erweist sich als schwierig, vergangene Zellereignisse – zum Beispiel eine bakterielle Infektion – mit gegenwärtigen Zuständen zu verknüpfen und zukünftige Ergebnisse abzuleiten.
„Die Identität und das Verhalten einer Zelle hängen nicht nur von ihrer aktuellen intrazellulären Zusammensetzung und extrazellulären Umgebung ab, sondern auch von ihren vergangenen Zuständen. Wir suchten nach einem effizienten Verfahren auf Einzelzellebene, um in die Vergangenheit zu blicken und eine Verbindung herzustellen der Gegenwart“, erklärt Prof. Chase Beisel, Leiter der Abteilung Synthetische Biologie der RNA am Helmholtz-Institut für RNA-basierte Infektionsforschung (HIRI) in Würzburg und Erstautor der Studie.
Ein Blick in die zelluläre Vergangenheit
Die Autoren stellen in ihrer Publikation einen neuen technologischen Ansatz vor, der die medizinische Diagnostik in Zukunft entscheidend voranbringen könnte. Ihre Methode namens TIGER ist eine Möglichkeit, das Vorhandensein spezifischer RNAs in einzelnen lebenden Zellen aufzuzeichnen.
„Durch RNA-Aufzeichnung verbindet TIGER aktuelle zelluläre Zustände mit vergangenen Transkriptionszuständen“, sagt Erstautorin Chunlei Jiao. TIGER kann die relative Genexpression quantifizieren, Unterschiede zwischen einzelnen Nukleotiden erkennen, mehrere Transkripte gleichzeitig aufzeichnen und Einzelzellphänomene auslesen.
Laut Jiao hat die Methode bemerkenswerte Vorteile: „Bisherige Forschungen konnten vergangene Zellzustände nur annähern, indem sie riesige Datenmengen und rechnerische Vorhersagewerkzeuge verwendeten, um asynchrone Zellen im Laufe der Zeit zu messen.“ Die an der Studie beteiligten Wissenschaftler konnten die Übertragung von Antibiotikaresistenzen zwischen Escherichia coli-Zellen sowie das Eindringen von Salmonellen in Wirtszellen erfassen.
Mit TIGER könnte in Zukunft die Transkriptionsgeschichte einzelner Zellen in einem lebenden Organismus untersucht und mit dem aktuellen Status quo verknüpft werden, um komplexe zelluläre Reaktionen zu entschlüsseln – in vivo und nicht-invasiv. So könne man sich beispielsweise vorstellen, ein TIGER-Probiotikum einzunehmen, um später den Zustand des Verdauungstrakts erfassen und analysieren zu können, schlussfolgern die Autoren.
TIGER (ein Akronym für „Transcribed RNAs Inferred by Genetically Encoded Records“) verwendet umprogrammierte tracrRNAs (Rptrs), um ausgewählte zelluläre Transkripte als gespeicherte DNA-Änderungen in einzelnen lebenden Bakterienzellen aufzuzeichnen. Rptrs sind so konzipiert, dass sie mit anerkannten Transkripten Basenpaare eingehen und sie in Leit-RNAs umwandeln.
Die Leit-RNAs weisen dann einen Cas9-Baseneditor an, auf ein eingeführtes DNA-Ziel abzuzielen. Der Umfang der Basisbearbeitung kann dann durch Sequenzierung gelesen werden. Die Technologie nutzt Erkenntnisse, die in einer früheren Studie zur Entwicklung von LEOPARD, einer In-vitro-Diagnoseplattform, geführt haben.
Mehr Informationen:
Chunlei Jiao et al, RNA-Aufzeichnung in einzelnen Bakterienzellen mit reprogrammierten tracrRNAs, Naturbiotechnologie (2023). DOI: 10.1038/s41587-022-01604-8
Bereitgestellt vom Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung