Wissenschaftler veröffentlichen Einzelzellatlas für den hochregenerativen Wurm Pristina leidyi

Ein internationales Wissenschaftlerteam, darunter B. Duygu Özpolat von der Washington University in St. Louis, hat den ersten Einzelzellatlas für Pristina leidyi (Pristina) veröffentlicht, den Wassernymphenwurm, einen segmentierten Ringelwürmer mit außergewöhnlichen Regenerationsfähigkeiten, der Biologen fasziniert hat seit mehr als einem Jahrhundert.

Ringelwürmer – darunter die bekanntesten unter ihnen, die Regenwürmer – sind eine weit verbreitete, sehr vielfältige, wirtschaftlich und ökologisch wichtige Tiergruppe.

Die meisten Ringelwürmer können fehlende Körperteile regenerieren und viele sind in der Lage, sich ungeschlechtlich zu vermehren. Allerdings sind die an diesen Prozessen beteiligten adulten Stammzellpopulationen sowie die Vielfalt der von den Stammzellen erzeugten Zelltypen bislang unbekannt.

Dieser besondere Wurm, Pristina, erregte erstmals im 19. Jahrhundert die Aufmerksamkeit von Biologen und ist nach wie vor ein Objekt von großem Interesse. Unter Laborbedingungen wächst Pristina sehr schnell und erstellt durch ungeschlechtliche Fortpflanzung Kopien von sich.

Mithilfe eines Mechanismus namens paraatomische Spaltung beginnt der Wurm, innerhalb eines einzelnen Körpersegments neue Kopf- und Schwanzsegmente zu bilden und zu differenzieren, wodurch eine sogenannte „Wurmkette“ entsteht. Schließlich trennen sich diese Klone und werden zu eigenständigen Individuen.

„Diese Würmer erzeugen ständig alle Körperteile und damit alle erwachsenen Zelltypen“, sagte Özpolat, Assistenzprofessor für Biologie an der Fakultät für Künste und Wissenschaften.

Insgesamt enthält der neue Einzelzellatlas für diesen Wurm 75.218 Einzelzelltranskriptome, die alle wichtigen Zelltypen der Ringelwürmer charakterisieren, einschließlich komplexer Muster regional exprimierter Gene im Darm der Ringelwürmer sowie neuronaler, muskel- und epidermaler spezifischer Gene. Die Studie ist veröffentlicht In Naturkommunikation.

„Wir wollen verstehen, wie sich verschiedene Organismen wie Pristina entwickelt haben, um im Laufe ihres Lebens kontinuierlich zu wachsen und sich zu regenerieren, welche Art von Zellen an diesen Prozessen beteiligt sind und welche molekularen Signaturen sie haben“, sagte Özpolat.

„Verschiedene Organismen haben unterschiedliche Strategien entwickelt“, sagte sie. „Die zellulären und genetischen Mechanismen, die wir von den Würmern lernen, helfen uns nicht nur, diese faszinierenden Organismen besser zu verstehen, sondern können auch Stammzelltechnologien und die regenerative Medizin auf der ganzen Linie beeinflussen.“

„Es ist merkwürdig, dass diese Würmer erwachsene Stammzellen unbegrenzt erhalten können“, sagte Özpolat.

„Wir haben Tausende von Klonen aus einem einzigen Individuum gezüchtet, und unsere Wurmkulturen sind immer noch erfolgreich.“

Segmentierte Realität

Özpolat erstellte und kartierte den Einzelzellatlas für Pristina in Zusammenarbeit mit Jordi Solana von der Universität Exeter im Vereinigten Königreich und Patricia Álvarez-Campos von der Universidad Autónoma de Madrid. Solana und seine Gruppe hatten sich zuvor auf Stammzellen einer anderen Wurmart konzentriert: dem Planarien- oder Plattwurm.

Pristina war für das vereinte Team eine neue Herausforderung. Ringelwürmer wie Pristina haben Körper, die aus einer Reihe von Segmenten mit einer Wachstumszone am Schwanzende bestehen, die aus zwei konzentrischen Ringen von Stammzellen kontinuierlich neue Segmente produziert.

Und dann war da noch Pristinas ungewöhnliche Tendenz, zu sprießen oder eine Kette zu bilden.

„Wenn das Tier eine bestimmte Größe erreicht, dann spürt es irgendwie, dass es die Schwelle zur Spaltung erreicht hat“, sagte Özpolat. „Und so fängt es an, in der Mitte seines Körpers einen Kopf und dann einen neuen Schwanz zu formen. Das bedeutet, dass es das, was früher ein Abschnitt war, der den Darm enthielt, komplett in einen Abschnitt umgestalten muss, der jetzt ein neues Gehirn haben wird, oder.“ neue Eierstöcke und Hoden.

Als Postdoktorand interessierte sich Özpolat vor allem dafür, wie Würmer im Rahmen dieses kettenartigen Fortpflanzungsprozesses neue Keimdrüsen bilden.

Für ihre künftigen Forschungsrichtungen plant sie, sich auch auf den Darm zu konzentrieren.

„Bei Einzelzellatlanten nimmt man einen ganzen Organismus und teilt ihn buchstäblich in seine einzelnen Zellen auf. Und dann betrachtet man die Genexpression in jeder Zelle einzeln“, sagte sie. „Dann gruppiert man sie in diesen Karten basierend auf ihren Ähnlichkeiten in Bezug auf Genexpressionsmuster.“

„Wir haben Zelltypen gefunden, von denen wir nicht einmal wussten, dass sie in diesem Tier existieren“, sagte Özpolat. „Sein Darm ist so ordentlich organisiert und spezifisch. In diesem winzigen kleinen Wurm gibt es etwa 12 verschiedene Darmzelltypen, was für zukünftige Projekte, an denen wir bereits arbeiten, sehr interessant sein wird.“

„Es öffnet uns jetzt einfach so viele Türen, dass man diese verschiedenen Zelltypen visualisieren kann und wie sie sich während der Spaltung und Regeneration verhalten“, sagte sie.