(1. Dezember 2013) Die Geburt eines Neurons zu beschreiben, die dafür nötigen molekularen Schalter zu erfassen, ist gar nicht so leicht. Um die Entwicklung einer Zelle von der neuronalen Stammzelle bis zum differenzierten Neuron in Gänze analysieren und als Transkriptom oder in Form eines anderen „Oms“ darstellen zu können, gilt es zunächst, die einzelnen Entwicklungsstadien zu differenzieren. Leider existieren im sich entwickelnden Gehirn alle Stadien zeitgleich und auch in enger Nachbarschaft. Das ist ein Problem, an dem sich Forscher schon länger versuchen. Haben Mitarbeiter um Federico Calegari von der TU Dresden nun eine Lösung gefunden?
Differenzierung im Mäusehirn
„We have a lot of fun optimizing and developing new tools and techniques“ verkündet Federico Calegari auf seiner Homepage. Na prima! Den Spaß braucht er auch. Denn das Problem, das er und seine Mitarbeiter sowie französische Kollegen vom Institut du Fer á Moulin, Paris, lösen wollen, ist nicht trivial. Die Forscher nahmen sich für ihre Versuche die Differenzierungsprozesse bestimmter Stammzellen im Cortex von Mäuse-Embryonen vor (EMBO J, doi:10.1038/emboj.2013.245). Diesen Zellen stehen zwei Optionen offen: entweder sie proliferieren oder sie beginnen sich zu differenzieren. Aus der Mitose von PPs (proliferative progenitors) gehen identische Tochterzellen mit der gleichen Pluripotenz wie ihre Mutterzellen hervor, während bei DPs (differentiating progenitors) mindestens eine Tochterzelle deutlich differenzierter ist als die Mutterzelle.
Um herauszufinden, in welchem Stadium sich eine Zelle befindet, ob sie also eine PP, DP oder eine wenigstens ansatzweise neuronale Zelle ist, reicht es nicht, ein stadienspezifisches Protein mit einem Fluoreszenzfarbstoff zu markieren. Denn wenn das betreffende Protein einigermaßen stabil ist, wird sich die Farbmarkierung an die Tochterzellen vererben. Also müssen, so überlegten die Forscher, mindestens zwei stadienspezifische Gene markiert werden.
Reportermäuse in rot und grün
Gesagt, getan. Sie versahen Btg2, das erst in der frühen G1-Phase von DPs exprimiert wird, mit RFP (Red Fluorescent Protein). Die rote Fluoreszenz fand sich denn auch in DP-Zellen und vererbte sich in die daraus hervorgehenden jungen Neuronen. Die Wissenschaftler kreuzten solche transgenen Mäuse mit einer Tubb3-GFP-Reportermaus (GFP = Green Fluorescent Protein). Tubb3 wird selektiv nicht in proliferierenden, sondern nur in jungen Neuronen gebildet. Somit ließen sich in Btg2-RFP/Tubb3-GFP-Mäusen die drei Stadien folgendermaßen unterscheiden: PP-Zellen hatten keine Fluoreszenz, DP-Zellen waren rot markiert, junge Neuronen dagegen rot und grün.
Auf dieser Basis isolierten die Forscher entwicklungsspezifische mRNA-Populationen und erstellten für jedes der drei Entwicklungsstadien ein Transkriptom. Die vielen Übereinstimmungen von Expressionsmustern, die sie so fanden, mit bereits beschriebenen entwicklungsspezifischen Genen, werteten sie als erfolgreiche Validierung ihres Experiments.
Nette Technik. Gibt's auch was Neues?
Und nun? Bis hierhin eine nette Technikarbeit, meinen Sie, liebe Leser? In der Tat. „So far our description was limited to genes known to play roles in neurogenesis as a means to validate our approach“, konstatieren auch die Wissenschaftler in ihrem Artikel.
Die biologischen und funktionellen Analysen stehen tatsächlich noch ganz am Anfang. Wie gesagt, viele der differenziell transkribierten Gene waren bereits bekannt für ihre Funktion in der Neurogenese. In den Transkriptomen fanden sich aber auch Gene, die spezifisch für das DP-Stadium sind. Die Forscher prägten dafür den Namen „switch genes“. In dieser Gruppe befanden sich alle bereits bekannten DP-Marker – aber auch eine Gruppe bisher nicht annotierter Gene. Also solche, deren Funktion man bisher nicht kennt.
Was macht die long non-coding RNA?
Zwei dieser unbekannten Gene nahmen sie genauer unter die Lupe: ein Protein-kodierendes Gen sowie eine von mehreren identifizierten langen nicht-kodierenden RNAs (lnRNAs). Die Veränderung der Expression dieser Gene resultierte in beiden Fällen in deutlichen Veränderungen während der Entwicklung des Gehirns. Allerdings liefern die Forscher keine mechanistischen Details oder gar genauere Erklärungen, was diese Gene wohl während der Hirnentwicklung bewirken. Die Forscher begnügen sich zunächst damit: „... our study provides a remarkably high number of uncharacterized transcripts with hitherto unsuspected roles in brain development“.
Die Antwort auf die Frage, wie das Neuron entsteht, bleibt also weiterhin offen und spannend.
Karin Hollricher
Abb: iStockPhoto (modifiziert)
Quelle:
Transcriptome sequencing during mouse brain development identifies long non-coding RNAs functionally involved in neurogenic commitment
Julieta Aprea et al.
EMBO J. 2013, doi:10.1038/emboj.2013.245