Wissenschaftler entwickelten nun die erste Mauslinie, mit der die Regulationen von Erbsubstanzen bei der Differenzierung von Stamm- zu Tochterzellen und Proteinen nachvollzogen werden kann.
In allen Lebewesen enthalten Gene die Erbinformation. Gene liegen in der DNA in Molekülketten aufgebaut aus vier Bausteinen in verschiedenen Reihenfolgen vor, die die Information für die Entwicklung und Funktion eines gesamten Lebewesens beinhaltet. Über die Erbinformation der Gene werden Ribonukleinsäuren (RNA) hergestellt, von denen eine wichtige Gruppe wiederum die Bauanleitung für Proteine (Eiweiße) enthält, die für die biologische Entwicklung eines Lebewesens und den Stoffwechsel in der Zelle notwendig sind. Doch nur ein Bruchteil der Zell-DNA besteht aus Genen. Mehr als 95 Prozent der menschlichen DNA machen nicht-codierende Erbsubstanzen aus, die keine Bauanleitungen für Proteine enthalten. Diese nicht-codierende DNA, die „dunkle Materie“, kann erst seit kurzem mit neuentwickelten Messmethoden identifiziert werden. Die „dunkle Materie“ reguliert die Aktivitäten der Gene. Bei Störungen können falsche Gene aktiviert oder Zellen unerwünschte Eigenschaften verliehen werden. „Stammzellen, differenzierte Vorläuferzellen und neue Nervenzellen liegen in einer vermischten Zellpopulation bei der Entwicklung des Gehirns vor, ebenso nicht-codierende Erbsubstanzen“, erläutert Dr. Federico Calegari. „Aus diesem Gemisch wollten wir bestimmen, welche Gene und nicht-codierenden Erbsubstanzen wichtig für die Teilung der Nervenstammzellen sind.“
Gemeinsam mit den Doktorandinnen Julieta Aprea und Silvia Prenninger hat er eine neue Mauslinie geschaffen, um in vivo Transkriptionsgene zu identifizieren. Dafür ist eine Mauslinie kombiniert mit rot und grün fluoreszierenden Reporterproteinen als Marker gezüchtet worden, die Populationen der Stammzellen, Tochterzellen und neugebildeten Nervenzellen in der örtlichen und zeitlichen Regulation bei der Gehirnbildung sichtbar macht. Mit Hilfe des Next Generation Deep Sequencing können die Forscher nun auch die Aktivität der Transkriptionsgene der jeweiligen Zellpopulationen viel genauer bestimmen. Die transgene Mauslinie zeigt Stammzellen (rot) und Nervenzellen (grün) im lebenden Mausembryo. © CRTD / Federico Calegari
Die nicht-codierende Erbsubstanz Miat der „dunklen Materie“ haben die Gehirnforscher dabei genauer untersucht. „Im Kern der Nervenzelle kann Miat als winzige Punkte sichtbar gemacht werden“, berichtet Julieta Aprea. Niemand wusste bisher, welche Funktionen Miat besitzt.“ Die RNA setzt in biologischen Zellen die genetische Information in Proteine um, der Informationsträger hierfür ist die sogenannte Messenger-RNA (mRNA). Eine Vorstufe der mRNA beinhaltet nicht-codierende Gen-Teile (Introns) und Teile, die nach dem Spleißen bleiben (Exons). Mit dem Spleißen werden die nicht-codierenden Gen-Teile entfernt und die angrenzenden Exons zur fertigen mRNA verknüpft. Federico Calegari resümiert: „Wir konnten nachweisen, dass Miat das sogenannte Spleißen der neuronalen mRNA kontrolliert, damit auch die Erzeugung neuer Nervenzellen. Wie genau das mechanisch funktioniert, wissen wir noch nicht.“ Das Mausmodell der Dresdner Wissenschaftler, das das exakte und sichtbare Nachverfolgen von Populationen der Stammzellen, deren Tochterzellen und neuen Nervenzellen sowie nicht-codierenden Erbsubstanzen erlaubt, ist ein bedeutender Fortschritt für die Stammzellforschung und die Entwicklung neuer Therapien für neurodegenerative Erkrankungen oder Verletzungen des zentralen Nervensystems. Originalpublikation: Transcriptome Sequencing During Mouse Brain Development Identifies Long Non-Coding RNAs Functionally Involved in Neurogenic Commitment Julieta Aprea et al.; The EMBO Journal, doi: 10.1038/emboj.2013.245; 2013
