Stammbäume von Blutzellen zeigen, wie sich die Produktion mit zunehmendem Alter verändert

Blutzellen machen den Großteil der Zellen im menschlichen Körper aus. Sie erfüllen wichtige Funktionen und ihre Funktionsstörung ist mit vielen wichtigen menschlichen Krankheiten verbunden, von Anämie bis hin zu Blutkrebs wie Leukämie. Zu den vielen Arten von Blutzellen gehören rote Blutkörperchen, die Sauerstoff transportieren, Blutplättchen, die die Blutgerinnung fördern, sowie unzählige Arten von Immunzellen, die unseren Körper vor Bedrohungen wie Viren und Bakterien schützen.

Diesen verschiedenen Arten von Blutzellen ist gemeinsam, dass sie alle von hämatopoetischen Stammzellen (HSCs) produziert werden. HSCs müssen unser ganzes Leben lang Blutzellen in großen Mengen produzieren, um die Versorgung unseres Körpers kontinuierlich wieder aufzufüllen. Forscher wollen HSCs und die Dynamik, wie sie die vielen Blutzelltypen produzieren, besser verstehen, um sowohl die Grundlagen der menschlichen Blutproduktion zu verstehen als auch zu verstehen, wie sich die Blutproduktion im Alter oder bei Krankheiten verändert.

Jonathan Weissman, MIT-Professor für Biologie, Mitglied des Whitehead Institute for Biomedical Research und Howard Hughes Medical Investigator; Vijay Sankaran, außerordentlicher Professor am Boston Children’s Hospital und der Harvard Medical School, außerdem assoziiertes Mitglied des Broad Institute of MIT und Harvard und behandelnder Arzt am Dana Farber Cancer Institute; und Chen Weng, Postdoktorand in ihren beiden Labors, haben eine neue Methode entwickelt, die einen detaillierten Blick auf die Stammbäume menschlicher Blutzellen und die Eigenschaften der einzelnen Zellen ermöglicht und so neue Einblicke in die Unterschiede zwischen den Abstammungslinien von HSCs liefert.

Die Forschung, veröffentlicht im Tagebuch Natur beantwortet am 22. Januar einige seit langem bestehende Fragen zur Blutzellenproduktion und wie sie sich mit zunehmendem Alter verändert. Die Arbeit zeigt auch, wie diese neue Technologie Forschern einen beispiellosen Zugang zur Geschichte menschlicher Zellen und Einblicke in die Art und Weise verschaffen kann, wie diese Geschichte ihren aktuellen Zustand geprägt hat. Dadurch werden viele Fragen zu unserer eigenen Biologie entdeckt, die bisher unbeantwortet blieben.

„Wir wollten Fragen stellen, die uns die vorhandenen Tools nicht ermöglichen konnten“, sagt Weng. „Aus diesem Grund haben wir die unterschiedlichen Fachkenntnisse von Jonathan und Vijay zusammengeführt, um eine neue Technologie zu entwickeln, die es uns ermöglicht, diese und weitere Fragen zu stellen und so einige der wichtigen Unbekannten bei der Blutproduktion zu lösen.“

Wie man die Abstammungslinien menschlicher Zellen verfolgt

Weissman und andere haben zuvor Methoden entwickelt, um die Stammbäume von Zellen zu kartieren, ein Prozess, der als Abstammungsverfolgung bezeichnet wird. In der Regel wurde dies jedoch an Tieren oder manipulierten Zelllinien durchgeführt. Weissman hat diesen Ansatz genutzt, um Aufschluss darüber zu geben, wie sich Krebserkrankungen ausbreiten und wann und wie sie Mutationen entwickeln, die sie aggressiver und tödlicher machen.

Obwohl diese Modelle die allgemeinen Prinzipien von Prozessen wie der Blutproduktion beleuchten können, vermitteln sie den Forschern jedoch kein vollständiges Bild davon, was im Inneren eines lebenden Menschen geschieht. Sie können nicht die gesamte Vielfalt menschlicher Zellen oder die Auswirkungen dieser Vielfalt auf Gesundheit und Krankheit erfassen.

Die einzige Möglichkeit, ein detailliertes Bild davon zu erhalten, wie sich die Abstammungslinien der Blutzellen im Laufe der Generationen verändern und welche Konsequenzen diese Veränderungen haben, besteht darin, die Abstammungslinien anhand von Zellen aus menschlichen Proben zu ermitteln. Die Herausforderung besteht darin, dass Weissman und Kollegen in den Forschungsmodellen, die in den vorherigen Studien zur Abstammungsverfolgung verwendet wurden, die Zellen bearbeitet haben, um einen verfolgbaren Barcode hinzuzufügen, eine DNA-Reihe, die sich bei jeder Zellteilung ein wenig ändert, sodass Forscher die Änderungen entsprechend abbilden können Zellen zu ihren nächsten Verwandten und rekonstruieren den Stammbaum.

Forscher können den Zellen lebender Menschen keinen Barcode hinzufügen, daher müssen sie einen natürlichen finden: einen DNA-Strang, der bereits existiert und sich häufig genug ändert, um die Rekonstruktion dieses Stammbaums zu ermöglichen.

Die Suche nach Mutationen im gesamten Genom ist kostspielig und zerstört das Material, das Forscher sammeln müssen, um mehr über den Zustand der Zellen zu erfahren. Vor ein paar Jahren haben Sankaran und seine Kollegen das erkannt Mitochondriale DNA könnte ein guter Kandidat für den natürlichen Barcode sein. Mitochondrien sind in allen unseren Zellen vorhanden und haben ihr eigenes Genom, das relativ klein und anfällig für Mutationen ist. In dieser früheren Forschung identifizierten Sankaran und Kollegen Mutationen in der mitochondrialen DNA, konnten jedoch nicht genügend Mutationen finden, um einen vollständigen Stammbaum zu erstellen: In jeder Zelle fanden sie durchschnittlich nur null bis eine Mutation.

Nun haben die Forscher in der von Weng geleiteten Arbeit die Erkennung mitochondrialer DNA-Mutationen um das Zehnfache verbessert, was bedeutet, dass sie in jeder Zelle etwa zehn Mutationen finden – genug, um als identifizierender Barcode zu dienen. Dies erreichten sie durch Verbesserungen bei der experimentellen Erkennung mitochondrialer DNA-Mutationen und bei der rechnerischen Überprüfung der Echtheit dieser Mutationen.

Ihre neue und verbesserte Methode zur Abstammungsverfolgung heißt ReDeeM, ein Akronym, das von „single-cell „regulatory multi-omics with deep mitochondrial mutation profiling““ abgeleitet ist. Mit dieser Methode können sie den Stammbaum Tausender Blutzellen aus einer menschlichen Blutprobe nachbilden und Informationen über den Zustand jeder einzelnen Zelle sammeln: ihre Genexpressionsniveaus und Unterschiede in ihrem Epigenom oder die Verfügbarkeit von DNA-Regionen ausgedrückt werden.

Die Kombination der Stammbäume der Zellen mit dem Zustand jeder einzelnen Zelle ist der Schlüssel, um zu verstehen, wie sich Zelllinien im Laufe der Zeit verändern und welche Auswirkungen diese Veränderungen haben. Wenn ein Forscher die Stelle im Familienstammbaum bestimmt, an der beispielsweise eine Blutzelllinie auf die Produktion einer bestimmten Art von Blutzellen ausgerichtet ist, kann er sich ansehen, was sich im Zustand der Zellen vor dieser Verschiebung geändert hat, um herauszufinden, was passiert Welche Gene und Wege führten zu dieser Verhaltensänderung? Mit anderen Worten: Sie können die Kombination von Daten nutzen, um nicht nur zu verstehen, dass eine Änderung stattgefunden hat, sondern auch, welche Mechanismen zu dieser Änderung beigetragen haben.

„Das Ziel besteht darin, den aktuellen Zustand der Zelle mit ihrer Vergangenheit in Beziehung zu setzen“, sagt Weissman. „Wenn wir dies in einer ungestörten menschlichen Probe tun können, können wir die Dynamik des Blutproduktionsprozesses beobachten und funktionelle Unterschiede in hämatopoetischen Stammzellen auf eine Weise verstehen, die bisher einfach nicht möglich war.“

Mit diesem Ansatz machten die Forscher mehrere interessante Entdeckungen über die Blutproduktion.

Die Vielfalt der Blutzelllinien nimmt mit zunehmendem Alter ab

Die Forscher kartierten die Stammbäume der Blutzellen, die von jedem HSC stammen. Jede dieser Abstammungslinien wird als klonale Gruppe bezeichnet. Forscher haben verschiedene Hypothesen darüber aufgestellt, wie klonale Gruppen funktionieren: Vielleicht sind sie austauschbar, wobei jede Stammzelle die gleiche Anzahl und Art von Blutzellen produziert. Möglicherweise sind sie spezialisiert, wobei eine Stammzelle rote Blutkörperchen und eine andere weiße Blutkörperchen produziert. Möglicherweise arbeiten sie im Schichtbetrieb, wobei einige HSCs ruhen, während andere Blutzellen produzieren.

Die Forscher fanden heraus, dass die Antwort bei gesunden, jungen Menschen irgendwo in der Mitte liegt: Im Wesentlichen produziert jede Stammzelle jeden Typ von Blutzellen, aber bestimmte Abstammungslinien tendierten dazu, einen Zelltyp gegenüber einem anderen zu produzieren. Die Forscher entnahmen jeder Testperson im Abstand von vier Monaten zwei Proben und stellten fest, dass diese Unterschiede zwischen den Abstammungslinien über die Zeit stabil waren.

Als nächstes entnahmen die Forscher Blutproben von älteren Menschen. Sie fanden heraus, dass mit zunehmendem Alter des Menschen einige klonale Gruppen zu dominieren beginnen und einen deutlich überdurchschnittlichen Prozentsatz der gesamten Blutzellen produzieren. Wenn eine klonale Gruppe andere auf diese Weise übertrifft, spricht man von Expansion. Forscher wussten, dass bei bestimmten Krankheiten eine einzelne klonale Gruppe, die eine krankheitsbedingte Mutation enthält, expandieren und dominant werden kann. Sie wussten nicht, dass die klonale Expansion selbst bei scheinbar gesunden Individuen im Alter allgegenwärtig ist oder dass es typisch ist, dass sich mehrere klonale Gruppen ausdehnen.

Dies erschwert das Verständnis der klonalen Expansion, gibt aber Aufschluss darüber, wie sich die Blutproduktion mit dem Alter verändert: Die Vielfalt der klonalen Gruppen nimmt ab. Die Forscher arbeiten daran, die Mechanismen herauszufinden, die es bestimmten klonalen Gruppen ermöglichen, sich über andere auszudehnen. Sie sind auch daran interessiert, klonale Gruppen auf Krankheitsmarker zu testen, um zu verstehen, welche Expansionen durch Krankheiten verursacht werden oder zu ihnen beitragen könnten.

ReDeeM ermöglichte es den Forschern, eine Reihe zusätzlicher Beobachtungen zur Blutproduktion zu machen, von denen viele mit früheren Forschungsergebnissen übereinstimmen. Das hofften sie: Die Tatsache, dass das Tool bekannte Muster in der Blutproduktion effizient identifizierte, bestätigt seine Wirksamkeit. Da die Forscher nun wissen, wie gut die Methode funktioniert, können sie sie auf viele verschiedene Fragen zu den Beziehungen zwischen Zellen und zu den Mechanismen anwenden, die Veränderungen im Zellverhalten bewirken. Sie nutzen es bereits, um mehr über Autoimmunerkrankungen, Blutkrebs und die Herkunft bestimmter Arten von Blutzellen zu erfahren.

Die Forscher hoffen, dass andere ihre Methode nutzen werden, um in vielen Gesundheits- und Krankheitsszenarien Fragen zur Zelldynamik zu stellen. Sankaran, ein praktizierender Hämatologe, hofft auch, dass die Methode eines Tages die Patientendaten revolutionieren wird, auf die Ärzte Zugriff haben.

„In nicht allzu ferner Zukunft könnte man in einer Patientenakte sehen, dass dieser Patient eine ungewöhnlich niedrige oder eine ungewöhnlich hohe Anzahl an HSCs hat, und das würde Aufschluss darüber geben, wie man über sein Krankheitsrisiko denkt“, Sankaran sagt. „ReDeeM bietet eine neue Perspektive, um die Klondynamik der Blutproduktion zu verstehen und zu verstehen, wie sie sich auf die menschliche Gesundheit und Krankheiten auswirken könnte. Letztendlich werden wir in der Lage sein, diese Erkenntnisse auf die Patientenversorgung anzuwenden.“

Diese Geschichte wurde mit freundlicher Genehmigung von MIT News erneut veröffentlicht (web.mit.edu/newsoffice/), eine beliebte Website mit Neuigkeiten über MIT-Forschung, Innovation und Lehre.