Genetisches Mosaik in Labormäusen Dutzende Genveränderungen gleichzeitig untersuchen

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Ein typischer Weg zur Erforschung von Erbkrankheiten, ist das gezielte Ausschalten einzelner Gene. So lässt sich deren Funktion im Organismus untersuchen. Allerdings braucht es für jedes Gen ein eigenes Versuchstier. Ein neues Verfahren ermöglicht es nun, in Tieren jede Zelle anders genetisch zu verändern und so mehrere Gene gleichzeitig zu analysieren.

Um den genetischen Ursachen von Krankheiten auf die Spur zu kommen, ist es eine bewährte Methode, in Tieren ein einzelnes Gen auszuschalten und die Folgen davon für den Organismus zu untersuchen. Allerdings tragen bei vielen Krankheiten mehrere Gene zum Krankheitsbild bei. Für Wissenschaftler ist es dann schwierig herauszufiltern, welches Gen wie stark am Krankheitsgeschehen beteiligt ist. Sie müssten dazu viele Tierexperimente durchführen – je eines pro gewünschter Genveränderung.

Forschende unter der Leitung von Randall Platt, Professor für Biologisches Engineering am Departement für Biosysteme der ETH Zürich in Basel, haben nun eine Methode entwickelt, welche die Forschung mit Versuchstieren stark vereinfachen und beschleunigen kann: Sie nehmen mithilfe der Crispr/Cas-Genschere in den Körperzellen eines einzelnen Tiers mosaikartig mehrere Dutzend Genveränderungen gleichzeitig vor: In jeder Zelle ist höchstens ein Gen verändert, die verschiedenen Zellen eines Organs sind aber auf unterschiedliche Weise verändert. Einzelne Zellen lassen sich anschließend präzise analysieren. Damit können die Forschenden in einem einzigen Experiment die Folgen vieler unterschiedlicher Genveränderungen untersuchen.

Erste Tests in lebenden Tieren

Die ETH-Forschenden haben ihren Ansatz zum ersten Mal erfolgreich in lebenden Tieren angewandt – konkret: in ausgewachsenen Mäusen. Zuvor entwickelten andere Wissenschaftler einen ähnlichen Ansatz bei Zellen in Kultur und bei Tierembryonen.

Um die Information darüber, welche Gene die Crispr/Cas-Genschere ausschalten soll, in die Körperzellen der Mäuse zu bringen, verwenden die Forschenden das Adeno-assoziierte Virus (AA-Virus). Sie präparierten die Viren so, dass jedes Viruspartikel die Information zum Anvisieren eines Gens trägt, und infizierten die Mäuse mit einer Mischung von Viren mit unterschiedlichen Anleitungen zur Geneditierung. Auf diese Weise konnten sie in den Zellen eines Organs – in der Studie: das Gehirn – unterschiedliche Gene ausschalten.

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Neue Erkenntnisse zu Erbkrankheiten

Mit dieser Methode gewannen die Forschenden der ETH Zürich zusammen mit Kollegen der Universität Genf neue Hinweise zu seltenen Erbkrankheiten bei Menschen, die als Mikrodeletionssyndrom 22q11 bezeichnet werden. Betroffene Menschen zeigen viele unterschiedliche Symptome, werden häufig mit Krankheiten wie Schizophrenie und Autismus-Spektrum-Störungen diagnostiziert. Bisher war bekannt, dass eine Chromosomenregion, in der 106 Gene liegen, für diese Krankheit verantwortlich ist und dass mehrere Gene dazu beitragen. Unklar hingegen blieb, welche der Gene welchen Anteil an der Krankheit haben.

Für ihre Studie in Mäusen fokussierten sich die Forschenden auf 29 Gene dieser Chromosomenregion, die auch im Mäusehirn aktiv sind. Sie veränderten in den Gehirnzellen von Mäusen je eines dieser 29 Gene und analysierten anschließend die RNA-Profile der Hirnzellen. So zeigten die Wissenschaftler zeigen, dass drei dieser Gene hauptverantwortlich sind für eine auch in Mäusen beobachtete Funktionsstörung von Gehirnzellen. Außerdem beobachteten die Forscher in den Mäusezellen molekulare Muster, die an Schizophrenie und Autismus-Spektrum-Störungen erinnern. Von diesen drei Genen war eines bereits bekannt, die anderen beiden standen bisher nicht im Fokus der Wissenschaft.

„Wenn wir wissen, welche Gene in einer Krankheit eine abnormale Aktivität aufweisen, können wir versuchen, Medikamente zu entwickeln, welche diese Abnormalität ausgleichen“, sagt António Santinha, Doktorand in Platts Gruppe und Erstautor der Studie.

Mehr Gen-Ziele für weniger Tierversuche

Die Methode würde sich auch eignen, um andere Erbkrankheiten zu untersuchen. „Bei vielen erblich bedingten Krankheiten spielen mehrere Gene eine Rolle, nicht nur eines“, sagt Santinha. „Das ist auch bei psychischen Erkrankungen wie der Schizophrenie der Fall. Mit unserer Technik können wir nun direkt in ausgewachsenen Tieren solche Krankheiten und ihre genetischen Ursachen untersuchen.“ Die Zahl der veränderten Gene ließe sich von derzeit 29 auf mehrere Hundert Gene pro Experiment erhöhen.

„Es ist ein großer Vorteil, dass wir diese Analysen nun in Lebewesen machen können, denn in Kultur verhalten sich Zellen anders als im lebenden Organismus“, sagt Santinha. Gleichzeitig wird nicht für jede Geneditierung ein einzelnes Tier benötigt, sondern eine Vielzahl an Genen kann im selben Tier untersucht werden.

Ein weiterer Vorteil ist, dass die Wissenschaftler den Tieren die AA-Viren einfach ins Blut spritzen können, von wo aus sie sich selbst ihr Ziel suchen. In dieser Studie verwendeten die Forschenden ein Virus, welches ins Gehirn der Tiere gelangt. „Je nach Untersuchungsziel könnten aber auch AA-Viren verwendet werden, die andere Organe ansteuern“, erklärt der ETH-Doktorand.

Originalpublikation: Santinha AJ, Klingler E, Kuhn M, Farouni R, Lagler S, Kalamakis G, Lischetti U, Jabaudon D, Platt RJ: Transcriptional linkage analysis with in vivo AAV-Perturb-seq, Nature, 20. September 2023, DOI: 10.1038/s41586-023-06570-y

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