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Künstliches „Zellarchiv“ zeigt, was Zellen vor Tagen getan haben
Welche Gene eine Zelle vor Stunden oder Tagen aktiviert hatte, lässt sich meist nicht mehr erkennen, weil ihre RNA rasch zerfällt. Ein neu entwickeltes Archiv im Zellinnern fängt diese Abschriften ab und bewahrt Spuren vorübergehender Reaktionen über mehrere Tage. Die Technik wurde zunächst an menschlichen Zellen im Labor erprobt.
Basel (Schweiz). Dass eine Zelle auf Stress, Krankheitserreger oder Botenstoffe reagiert hat, ist ihr später oft nicht mehr anzusehen. Viele solcher Reaktionen beruhen darauf, dass bestimmte Gene vorübergehend stärker abgelesen werden. Sobald das Signal abklingt, verschwindet häufig auch die molekulare Spur.
Üblicherweise messen Forscher dafür die Boten-RNA, also kurzlebige Abschriften aktiver Gene. Mit der RNA-Sequenzierung lässt sich daraus ermitteln, welche Gene im Augenblick der Probenentnahme aktiv waren. Weil die Analyse die untersuchte Zelle zerstört und die RNA rasch abgebaut wird, fehlen Informationen über ihre Vorgeschichte.
Forscher der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (ETH Zürich) um Christopher D. Reinkemeier haben nun ein künstliches Zellarchiv entwickelt, das diesen Rückblick ermöglichen soll. Die sogenannten Recordanelles speichern eine Auswahl zellulärer RNA-Abschriften über mehrere Tage hinweg, wie Versuche mit menschlichen Zellen in Kultur zeigen.
„Ein Blick in die Vergangenheit ist unter anderem deshalb interessant, weil er uns etwas über kurzzeitige Reaktionen einer Zelle verrät, von denen es viele gibt. Immun- und Stressreaktionen sind nur einige Beispiele“, erklärt Christopher D. Reinkemeier.
Der Trick besteht darin, RNA nicht erst im Moment der Untersuchung einzufangen, sondern während ihrer Entstehung fortlaufend zu sammeln. Dazu bildet ein gentechnisch eingeführtes Fusionsprotein im Zellinnern einen schützenden Komplex. Einer seiner drei Funktionsbereiche verankert ihn an der äußeren Membran der Mitochondrien, ein anderer bindet RNA und ein dritter lässt die Moleküle zu einem Kondensat zusammenkommen.
In diesem künstlichen Raum sind die RNA-Abschriften besser vor Enzymen geschützt, die sie normalerweise abbauen würden. Für eine spätere Analyse können die Forscher den an den Mitochondrien haftenden Anteil isolieren und die archivierten RNA-Moleküle sequenzieren. So entsteht kein lückenloses Zeitprotokoll, aber ein länger erhaltenes Abbild früherer Genaktivität.
Bei der leistungsfähigsten Variante fanden sich RNA-Arten von bis zu 90 Prozent der in den Versuchszellen aktiven Gene im Archiv wieder. Gemeint ist dabei der Anteil der erfassten RNA-Arten, nicht dass die künstlichen Speicher 90 Prozent sämtlicher RNA-Moleküle aufnehmen.
Ob dieser Mechanismus tatsächlich Vergangenes sichtbar macht, testete das Team mit einer Immunreaktion. Es behandelte kultivierte menschliche Nierenzellen für 20 Stunden mit dem Botenstoff Interferon-beta, der zahlreiche Abwehrgene einschaltet. Zwei Tage nach dem Ende dieses Reizes war die Genantwort in Kontrollzellen weitgehend verschwunden, im RNA-Archiv blieb sie dagegen erkennbar.
„Misst man mit der herkömmlichen Methode zu spät, erkennt man nicht mehr, dass die Reaktion überhaupt stattgefunden hat“, erklärt Marcos Manero-Carranza von der ETH Zürich.