Verwendung computertechnisch hergestellter DNA zur Untersuchung der Zellidentität

Alle Zellen in unserem Körper haben den gleichen genetischen Code und können sich dennoch in ihrer Identität, Funktion und ihrem Krankheitszustand unterscheiden. Die einfache Unterscheidung einer Zelle in Echtzeit wäre für Wissenschaftler, die Entzündungen, Infektionen oder Krebserkrankungen verstehen wollen, von unschätzbarem Wert.

Jetzt haben Wissenschaftler am deutschen Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin einen Algorithmus entwickelt, der solche Werkzeuge entwerfen kann, die mithilfe von DNA-Segmenten, die als „synthetische Locus-Kontrollregionen“ (sLCRs) bezeichnet werden, die Identität und den Zustand von Zellen aufdecken. Sie können in einer Vielzahl biologischer Systeme eingesetzt werden. Die Ergebnisse eines Teams unter der Leitung von Dr. Gaetano Gargiulo, Leiter des Labors für Molekulare Onkologie, sind gemeldet In Naturkommunikation.

„Dieser Algorithmus ermöglicht es uns, präzise DNA-Werkzeuge zum Markieren und Untersuchen von Zellen zu entwickeln und so neue Einblicke in das zelluläre Verhalten zu gewinnen“, sagt Gargiulo, leitender Autor der Studie. „Wir hoffen, dass diese Forschung die Türen zu einer einfacheren und skalierbareren Möglichkeit öffnet, Zellen zu verstehen und zu manipulieren.“

Diese Bemühungen begannen, als Dr. Carlos Company, ein ehemaliger Doktorand am Gargiulo-Labor und Co-Erstautor der Studie, begann, Energie in die Automatisierung des Designs der DNA-Tools zu investieren und es anderen Wissenschaftlern zugänglich zu machen. Er programmierte einen Algorithmus, um Werkzeuge zu generieren, die Forschern helfen, grundlegende zelluläre Prozesse sowie Krankheitsprozesse wie Krebs, Entzündungen und Infektionen zu verstehen.

„Mit diesem Tool können Forscher untersuchen, wie sich Zellen von einem Typ in einen anderen verwandeln. Es ist besonders innovativ, weil es alle entscheidenden Anweisungen, die diese Veränderungen steuern, in einer einfachen synthetischen DNA-Sequenz zusammenfasst. Dies vereinfacht wiederum die Untersuchung komplexer zellulärer Verhaltensweisen Bereiche wie Krebsforschung und menschliche Entwicklung“, sagt das Unternehmen.

Algorithmus zur Erstellung eines maßgeschneiderten DNA-Tools

Das Computerprogramm trägt den Namen „Logical Design of Synthetic Cis-Regulatory DNA“ (LSD). Die Forscher geben die bekannten Gene und Transkriptionsfaktoren ein, die mit den spezifischen Zellzuständen verbunden sind, die sie untersuchen möchten, und das Programm verwendet diese, um DNA-Segmente (Promotoren und Enhancer) zu identifizieren, die die Aktivität in der interessierenden Zelle steuern. Diese Informationen reichen aus, um funktionelle Abläufe zu entdecken, und Wissenschaftler müssen nicht den genauen genetischen oder molekularen Grund für das Verhalten einer Zelle kennen; Sie müssen nur den sLCR konstruieren.

Das Programm durchsucht das Genom von Menschen oder Mäusen, um Orte zu finden, an denen Transkriptionsfaktoren mit hoher Wahrscheinlichkeit binden, sagt Yuliia Dramaretska, Doktorandin am Gargiulo-Labor und Co-Erstautorin. Es wird eine Liste relevanter 150 Basenpaare langer Sequenzen erstellt, die wahrscheinlich als aktive Promotoren und Verstärker für die untersuchte Erkrankung fungieren.

„Es handelt sich natürlich nicht um eine zufällige Liste dieser Regionen“, sagt sie. „Der Algorithmus ordnet sie tatsächlich und findet die Segmente, die den Phänotyp, den Sie untersuchen möchten, am effizientesten darstellen.“

Wie eine Lampe in den Zellen

Wissenschaftler können dann ein Werkzeug entwickeln, das als synthetische Locus-Kontrollregion (sLCR) bezeichnet wird und die erzeugte Sequenz enthält, gefolgt von einem DNA-Segment, das ein fluoreszierendes Protein kodiert.

„Die sLCRs sind wie eine automatisierte Lampe, die man in die Zellen einsetzen kann. Diese Lampe schaltet sich nur unter den Bedingungen ein, die man untersuchen möchte“, sagt Dr. Michela Serresi, Forscherin im Gargiulo-Labor und Co-Erstautorin. Die Farbe der „Lampe“ kann variiert werden, um sie an verschiedene interessierende Zustände anzupassen, sodass Wissenschaftler unter einem Fluoreszenzmikroskop schauen und anhand ihrer Farbe sofort den Zustand jeder Zelle erkennen können. „Wir können mit unseren Augen die Farbe in einer Petrischale verfolgen, wenn wir eine Behandlung durchführen“, sagt Serresi.

Die Wissenschaftler haben den Nutzen des Computerprogramms validiert, indem sie es zum Screening auf Medikamente in SARS-CoV-2-infizierten Zellen verwendet haben, wie letztes Jahr in veröffentlicht wurde Wissenschaftliche Fortschritte. Sie nutzten es auch, um Mechanismen zu finden, die bei Hirntumoren namens Glioblastomen eine Rolle spielen, bei denen keine einzige Behandlung wirkt.

„Um Behandlungskombinationen zu finden, die bei bestimmten Zellzuständen bei Glioblastomen wirken, muss man nicht nur verstehen, was diese Zellzustände ausmacht, sondern man muss sie auch sehen, wie sie entstehen“, sagt Dr. Matthias Jürgen Schmitt, der Forscher bei das Gargiulo-Labor und Co-Erstautor, der die Werkzeuge im Labor nutzte, um ihren Wert zu demonstrieren.

Stellen Sie sich nun Immunzellen vor, die im Labor als Gentherapie zur Abtötung einer Krebsart entwickelt wurden. Bei der Infusion an den Patienten funktionieren nicht alle diese Zellen wie vorgesehen. Einige werden wirksam sein, während andere möglicherweise in einem dysfunktionalen Zustand sind. Das Gargiulo-Labor wird dieses System verwenden, um das Verhalten dieser empfindlichen zellbasierten Krebstherapeutika während der Herstellung zu untersuchen.

„Mit der richtigen Zusammenarbeit birgt diese Methode das Potenzial, Behandlungen in Bereichen wie Krebs, Virusinfektionen und Immuntherapien voranzutreiben“, sagt Gargiulo.