Milliarden alter Gehirnzellen gleichzeitig kartiert

Was die Studie zeigt

Das Problem besteht darin, dass wir Zehntausende, und was sich in den meisten dieser Zellen verändert, bleibt unbekannt, teilweise aufgrund traditioneller technischer Grenzen.

Deshalb hat Junyue Cao vom Rockefeller-Institut ein Satz hochdurchsatzfähiger Einzelzell-genomischer Analysewerkzeuge entwickelt, mit denen gleichzeitig untersucht werden kann, wie das Altern den molekularen Zustand im Gehirn beeinflusst.

Das Labor für Einzelzell-Genomik und Populationsdynamik neue Werkzeuge und Konzepte zur Erforschung der molekularen Veränderungen, der Genexpression und der zellulären Interaktionen des Alterns entwickelt.

In in Nature Neuroscience und Cell

In in Nature Neuroscience und Cell Genomics veröffentlichten Artikeln beschreiben Cao und sein Team jede der neuen Technologien sowie die bereits gewonnenen biologischen Erkenntnisse. „Diese Ansätze verfolgen im Wesentlichen zwei verschiedene Wege, um unterschiedliche Aspekte der zellulären Dynamik und der sich verändernden molekularen Prozesse, die dem Altern, zu verstehen", sagt Cao.

Das Labor die Entwicklung neuer Hochdurchsatz-Verfahren der Einzelzell-Sequenzierung, die die Genexpression und molekularen Dynamiken aufdecken. Obwohl diese Methoden für diverse Analysen eingesetzt werden können, konzentriert sich das Labor.

Sein Team hat zuvor die Einzelzell-Sequenzierung genutzt, um seltene Hirnzelltypen zu identifizieren, den Alterungsprozess, die Zellen zu lokalisieren, die am stärksten anfällig für altersbedingten Abbau sind, und entdeckt, dass das Altern möglicherweise eine Entwicklungsphase darstellt, die durch spezifische molekulare Signale ausgelöst wird.

Die beiden neuen Ansätze, die das

Die beiden neuen Ansätze, die das Labor – IRISeq und EnrichSci – untersuchen das zelluläre Altern aus unterschiedlichen Perspektiven.

IRISeq nutzt jüngste Erkenntnisse, wonach DNA wie eine Art molekularer Barcode oder sogar ein Maßstab wirken kann, der festhält, welche Moleküle räumlich nahe beieinander liegen, so Abdulraouf Abdul, ein M.D.-Ph.D.-Student im Labor. „Seit Jahrhunderten stützen sich Wissenschaftler auf Mikroskope, um Gewebe zu untersuchen und zu verstehen, wie Zellen organisiert sind.

Konnten wir uns fragen, ob DNA selbst genutzt werden könnte, um gesamte Gewebe zu kartieren, ohne überhaupt ein Mikroskop einzusetzen? Die entwickelte Technik sollte genau dies ermöglichen.

In einer, einer Forschungsassistentin im Cao-Labor,

In einer, einer Forschungsassistentin im Cao-Labor, geleiteten Arbeit entwickelte das Team einen mikroskopfreien, hochdurchsatzfähigen Ansatz, der Millionen, mikrometergroßen Kügelchen verwendet, um lokale Genexpressionsinformationen über das gesamte Gewebe hinweg zu erfassen.

Die Kügelchen tauschen DNA-basierte Signale mit benachbarten Kügelchen aus, wodurch Forscher rekonstruieren können, wo sich die Zellen im Gewebe befinden – und das alles ohne Mikroskop.

Abdul und seine Kollegen haben die Arbeit in Nature Neuroscience vorgestellt. „Mit IRISeq können wir die Struktur neu rekonstruieren – fast wie das Zoomen auf und aus einer Landkarte –, ohne überhaupt ein einziges Bild aufzunehmen.

Was die Studie zeigt

Das bedeutet, dass wir sehr große Gewebestücke oder viele Gewebeschnitte untersuchen können, was mit herkömmlichen Bildgebungsverfahren deutlich schwieriger oder kostspieliger wäre," so Abdul. „Im Kern haben wir die Sequenzierung zu einer neuen Methode der 'Beobachtung' der Biologie zu einem Bruchteil der Kosten gemacht." Fügt Cao hinzu: „Mit dieser Karten-Interaktion können wir untersuchen, wie Zellen durch ihre externen Zellwechselwirkungen während des Alterungsprozesses gesteuert werden.

Sie ermöglicht es, die Interaktionen nahezu beliebiger zwei oder mehr Zelltypen gleichzeitig an beliebigen Stellen im Gehirn zu erfassen." Unter Verwendung dieses Ansatzes kartierten das Team entzündliche Zellviertel im alternden Gehirn.

Dabei stellten sie fest, dass entzündliche Subtypen, Oligodendrozyten und Astrozyten tendenziell im weißen Hirngewebe zusammengefasst sind und miteinander interagieren.

Was die Studie zeigt

Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass das weiße Hirngewebe eine besonders anfällige Region des alternden Gehirns darstellt, in der krankheitsassoziierte Zellzustände entstehen und sich gegenseitig verstärken.

Beispielsweise fanden sie heraus, dass Immunzellen, die Lymphozyten genannt werden, eine wesentliche Rolle bei der Auslösung ündungen im alternden Gehirn in einer sehr spezifischen Weise spielen. „Ihre Aktivität konzentriert sich auf bestimmte Regionen, insbesondere in der Nähe der flüssigkeitsgefüllten Räume des Gehirns, die als Ventrikel bezeichnet werden", sagt Abdul. „Ohne räumliche Informationen wäre eine solche lokalisierte Immunaktivität leicht übersehen worden." „Das Wissen sowohl über die Zelltypen, die sich zu Clustern zusammenfinden, als auch über deren Lage kann potenzielle Angriffspunkte für Anti-Aging-Interventionen liefern", sagt Cao.

Die zweite Methode, EnrichSci, wurde in Cell Genomics veröffentlicht und ist ein Verfahren der Einzelkern-RNA-Sequenzierung, das zunächst seltene, aber biologisch relevante Zellen in einer gemischten Zellpopulation identifiziert und isoliert, wodurch der Anteil des Zielzelltyps in der Probe erhöht wird.

Technik und Auswirkungen

Nach der Anreicherung der seltenen Zielzellen untersucht EnrichSci anschließend die molekulare Programmierung jeder einzelnen Zelle im Detail.

Die Forscher setzten EnrichSci im Alternden Mausgehirn ein, um seltene Zellpopulationen anzureichern, die sie zuvor als besonders anfällig für problematische Veränderungen während des Alterns identifiziert hatten; dazu gehörten Subtypen, die ausschließlich im zentralen Nervensystem vorkommen.

Diese Zellen umhüllen neuronale Axone im Gehirn und Rückenmark und stehen im Zusammenhang mit neurodegenerativen Erkrankungen.

Was die Studie zeigt

Bei diesen alternden Subtypen stellten die Forscher Veränderungen sowohl in der Genexpression als auch in einflussreichen genetischen Elementen namens Exons fest, die für die post-transkriptionelle Regulation sind. „Exons sind die Teile der Gene, die die reifen RNA-Transkripte bilden, die entweder in Proteine übersetzt werden oder andere biologische Funktionen erfüllen", erklärt Erstautor Andrew Liao, ein M.D.-Ph.D.-Student in Cao's Labor.

Die zeigen, dass die post-transkriptionelle Regulation eine wichtige Rolle bei der Alterung Ansatzpunkte zur Modulation dieser Vernderungen bei altersbedingter Neurodegeneration bieten knnte. berraschenderweise haben wir auch festgestellt, dass viele Gene whrend des Alterungsprozesses keine signifikanten nderungen in ihrer Expression aufweisen, ihre Exons jedoch schon", fgt Cao hinzu. Diese Vernderungen stehen im Zusammenhang mit alternativer Spleiung, einem Schlsselmechanismus zur Erzeugung unterschiedlicher Proteinfunktionen.

Solche Vernderungen knnen jedoch auch mit vielen Krankheiten, einschlielich Krebs, in Verbindung gebracht werden." Die Forscher hoffen, dass ihre Techniken sowohl als klinische als auch als Forschungsinstrumente zur Diagnose neuer biologischer Zusammenhnge bei einer breiten Palette. Wir skalieren IRISeq bereits, um das Altern und pharmakologische Interventionen in einem Mastab zu untersuchen, der zuvor nicht durchfhrbar war." „Im Zentrum dieser Vision steht die Idee, dass Zellen nicht isoliert agieren – ihr Verhalten hängt davon ab, wo sie sich befinden und welche anderen Zellen sie umgeben", sagt Abdul. „Zellen ohne diesen Kontext zu untersuchen, ist wie einzelne Wörter aus einem Buch herauszulesen, nachdem die Seiten zerrissen wurden.

Technik und Auswirkungen

Durch die Erhaltung der räumlichen Beziehungen zwischen Zellen ermöglicht IRISeq die Erforschung der Funktionsweise, Veränderungen und Reaktionen größeren Stichprobenmengen und breiteren Kontexten." Liao hofft, EnrichSci zu erweitern, um sowohl RNA als auch Chromatin-Zugänglichkeit gemeinsam zu profilieren. „Ein solches Co-Assay könnte sowohl Veränderungen in der Gen- und Exon-Expression als auch die zugrunde liegenden epigenetischen Veränderungen erfassen", sagt er. „Wir hoffen, diese Methode anzuwenden, um altersbedingte Veränderungen in Oligodendrozyten und anderen anfälligen Zelltypen bei altersassoziierten neurodegenerativen Erkrankungen weiter zu untersuchen." Cao betont, dass ihre neuen Techniken zur Erforschung zellulärer Dynamiken in zahlreichen biologischen Kontexten eingesetzt werden können. „Während sich mein Labor auf die Zellpopulationsdynamiken im Zusammenhang mit dem Altern konzentriert, können diese Techniken für jedes Krankheitsmodell angewendet werden.

Beispielsweise kann IRISeq genutzt werden, um Wechselwirkungen zwischen Immunzellen während des Krebsfortschritts zu untersuchen, und EnrichSci kann post-transkriptionelle Veränderungen aufdecken, die möglicherweise am Krankheitsverlauf beteiligt sind." Wichtige Fragen beantwortet: A: IRISeq verwandelt DNA in einen Sensor.

Durch den Einsatz mikroskopischer Kügelchen, die sich über DNA-Signale gegenseitig „ansprechen", können Forscher exakt rekonstruieren, wo sich jede Zelle befand, basierend darauf, welche Kügelchen Nachbarn waren – im Wesentlichen wird die Karte „berechnet" statt fotografiert.

A: Früher wurde angenommen, dass Altern

A: Früher wurde angenommen, dass Altern bedeute, dass Gene einfach ein- oder ausgeschaltet werden. Diese Forschung zeigt, dass Gene zwar eingeschaltet bleiben können, sich aber die Art und Weise, wie sie zusammengesetzt werden (über Exons), verändert.

Dieses „alternative Spleißen" kann unterschiedliche Proteinfunktionen erzeugen und möglicherweise zur Neurodegeneration oder zum Krebs beitragen. A: Die IRISeq-Analyse zeigte, dass entzündliche Zelltypen nicht nur im weißen Hirngewebe vorkommen, sondern sich dort zu Clustern zusammenlagern.

Dies deutet darauf hin, dass diese Zellen miteinander interagieren und ihre negativen Zustände gegenseitig verstärken, wodurch sich eine „heiße Zone" für altersbedingten Abbau und Erkrankungen bildet. Redaktionsnotizen: Dieser Artikel wurde News bearbeitet. Zusätzliche Kontextinformationen wurden ügt.

Einordnung fuer Autofahrer

Informationen zu dieser Forschungsnachricht über Genetik und Hirnabbildung: Autor: Katherine Fenz Quelle: Rockefeller University Kontakt: Katherine Fenz – Rockefeller University Bild: Das Bild ist Neuroscience News zuzuordnen.

Ursprüngliche Forschung: Open Access. „Optics-free spatial genomics for mapping mammalian brain aging ", Weirong Jiang, Zehao Zhang, Zihan Xu, Ziyu Lu, Tiffany Merlinsky, Andrew Liao, Ahmet Doymaz, Samuel Isakov, Tanvir Raihan, Wei Zhou & Junyue Cao.

Nature Neuroscience DOI:10.1038/s41593-02293-1 Optikfreie räumliche Genomik zur Kartierung des Alterungsprozesses im Säugetiergehirn mittels IRISeq Die räumliche Transkriptomik hat sich als transformative Methode zur in-situ-Kartierung zellulärer Heterogenität und Interaktionen etabliert; bestehende Verfahren beeinträchtigen jedoch häufig Durchsatz, Kosten und Gewebedeckung.

Markt und Strategie

Hier stellen wir Imaging Reconstruction using Indexed Sequencing (IRISeq) vor: eine optikfreie, kosteneffiziente Plattform, die durch sequenzbasierte räumliche Interaktionskartierung Gewebe bei einstellbaren Größen und Auflösungen (5–50 µm) profiliert.

Wir setzten IRISeq ein, um die Genexpression in mehr als 70 koronalen Schnitten sowohl aus adulten als auch aus gealterten Mäusegehieren zu kartieren – einschließlich Wildtyp und zwei lymphozyten-defizienten Modellen (Rag1- und Prkdc-Mutanten) – und generierten über 460.000 räumliche Transkriptomprofile.

Unsere integrierte Analyse von 783.264 Einzelzelltranskriptomen offenbarte altersspezifische Signaturmuster, die ängen: insbesondere eine bei Lymphozytenentzug in ventrikulären Regionen nachweisbare Herunterregulierung der Interferon-Signalgebung und Entzündungsprozesse, begleitet Seneszenzwegen.

Was die Studie zeigt

Darüber hinaus korrelierte der Lymphozytenmangel mit einer erhaltenen Häufigkeit, die die Ventrikel des Gehirns auskleiden, sowie mit spezifischen Dynamiken des Mikrogliazustands, was die Schlüsselrolle der Lymphozyten bei der Förderung entzündlicher Prozesse während des Gehirnalterns unterstreicht.

Insgesamt stellt IRISeq eine hochdurchsatzfähige und kosteneffiziente Lösung für die räumlich aufgelöste Transkriptomik dar und eröffnet neue Wege zur Aufklärung regionsspezifischer zellulärer Mechanismen, die dem Altern zugrunde liegen, sowie zur Identifizierung potenzieller therapeutischer Zielstrukturen zur Erhaltung der Gehirnhomeostase.