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Die RNA-Sequenzierung ermöglicht es Forschenden, die Expression von Genen in einer Zelle zu untersuchen. Da Boten-RNA (mRNA) aus einem DNA-Gen erzeugt wird, kann diese Information zur Identifizierung der ursprünglichen Gensequenz und somit zur Messung der Aktivität von Tausenden von Genen (d. h. des Transkriptoms) in diesen Zellen verwendet werden.
Die Herausforderung bei der RNA-Sequenzierung besteht darin, die mRNA einer bestimmten Zelle aus einer gemischten Population zu erfassen – wie sie in der Natur meist vorkommt. Zu diesem Zweck haben Wissenschaftlerinnen die «Einzelzell-RNA-Sequenzierung» (scRNA-seq) entwickelt, die beispiellose Erkenntnisse für die Grundlagen- und biomedizinische Forschung und sogar für die Arzneimittelentwicklung liefert.
Einführung in Live-seq
Nun haben Forschende aus den Gruppen der Professoren Bart Deplancke an der EPFL und Julia Vorholt an der ETH Zürich ein Problem mit scRNA-seq angegangen: die Notwendigkeit, Zellen zu lysieren (zu töten). Die Forschenden unter der Leitung von Dr. Wanze Chen (EPFL) und Dr. Orane Guillaume Gentil (ETH Zürich) präsentieren Live-seq. Der innovative Ansatz lässt die Zellen während der RNA-Extraktion für weitere Untersuchungen 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 ein menschliches Haar – verwendet, um winzige Flüssigkeitsmengen (Femtoliter) in einer Probe unter dem vor einigen Jahren an der ETH Zürich entwickelten Mikroskop zu manipulieren. Dadurch ermöglicht FluidFM das Einbringen von Substanzen in einzelne Zellen oder die Extraktion von Zytoplasma und mRNA aus einzelnen Zellen, ohne diese abtöten zu müssen.
Der entscheidende Fortschritt, der zu Live-seq führte, entstand, als es den Forschenden gelang, die mRNA (das Transkriptom) aus diesen winzigen Mengen an Zytoplasmaproben zu konservieren und auszulesen. Infolgedessen kann Live-seq nun das Transkriptom einer Zelle zu einem bestimmten Zeitpunkt mit ihrem späteren molekularen oder phänotypischen Verhalten in Verbindung bringen, d. h. die Aktivität Tausender von Genen in einer einzelnen Zelle zu diskreten Zeitpunkten überwachen – was die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler als «zeitliche» transkriptomische Analyse bezeichnen.
«Mit Live-seq können wir nun auf einzigartige Weise hochinteressante und biomedizinisch relevante Fragen beantworten, etwa warum sich bestimmte Zellen differenzieren und ihre Schwesterzellen nicht, oder warum bestimmte Zellen gegen ein Krebsmedikament resistent sind und ihre Schwesterzellen wiederum nicht», sagt Bart Deplancke.
Bei der Erprobung von Live-seq haben die Forschenden gezeigt, dass es verschiedene Zelltypen und -zustände genau identifizieren («stratifizieren») kann, ohne grössere Störungen zu verursachen. Zum Beweis ihres Konzepts nutzten sie ihre neue Plattform, um die «Flugbahn» einzelner Immunzellen (Makrophagen) direkt zu kartieren, bevor und nachdem sie aktiv wurden, sowie von Fettstromazellen – einer Art Stammzellen – bevor und nachdem sie sich in Fettzellen differenzierten. Schliesslich nutzte das Team Live-seq als «transkriptomischen Rekorder», der es ihnen ermöglichte, vorherzusagen, wie stark – oder schwach – eine Immunzelle auf eine immunologische Herausforderung reagieren würde.
Die Arbeit wurde jetzt in Nature veröffentlicht: «Live-seq kann ein breites Spektrum biologischer Fragen angehen, indem scRNA-seq von einem Endpunkt zu einem zeitlichen und räumlichen Analyseansatz umgewandelt wird», sagt Julia Vorholt.