Montag, 13. Juli 2020
Navigation öffnen

Medizin

28. November 2016 Epigenetisches Modell für die Entwicklung von Blutzellen

Mit bioinformatischen Methoden ist es Wissenschaftlern aus Saarbrücken, Cambridge und Wien gelungen, Unterschiede in Blutstammzellen verschiedener Entwicklungsstufen zu finden und die epigenetischen Veränderungen während ihrer Differenzierung zu beschreiben. Dank neuartiger Sequenzierungs-Technologie konnten die Epigenome aus nur wenigen oder sogar einzelnen Zellen kartiert werden. Mittels maschinellem Lernen wurde aus den Ergebnissen ein Modell menschlicher Blutdifferenzierung direkt aus der Methylierung der Zell-DNA gewonnen. Damit steht ein neuer bioinformatischer Ansatz bereit, um komplexe Differenzierungswege im Computer abzubilden.
Anzeige:
Das Genom bzw. die DNA-Sequenz ist spezifisch für jeden Organismus und in praktisch allen Zellen eines Menschen gleich. Für die Entwicklung der unterschiedlichen Zelltypen mit ihren spezifischen Aufgaben aus Stamm- und Vorläuferzellen ist das Epigenom verantwortlich. Im Epigenom ist reflektiert, zu welchem Zelltyp sich eine Stammzelle entwickelt. Der Mechanismus dafür ist das biochemische An- und Ausschalten von Teilabschnitten der DNA durch zelluläre Prozesse wie zum Beispiel der Methylierung bestimmter DNA-Regionen. Die Kenntnis dieser Steuerung ermöglicht eine verbesserte Analyse und Behandlung von Krebs-, Stoffwechsel- und Immunerkrankungen.

Unter der Leitung von Christoph Bock (CeMM Forschungszentrum für Molekulare Medizin der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, Wien, und Max-Planck-Institut für Informatik, Saarbrücken), wurden von einem internationalen Team, das Forscher am Max-Planck-Institut für Informatik und am Zentrum für Bioinformatik an der Universität des Saarlandes einschließt, die epigenetischen Muster in Stammzellen und Vorläuferzellen des menschlichen Blutes umfassend charakterisiert. Diese Zellen sind für die Bildung sämtlicher Blutzellen, einschließlich aller Zellen des Immunsystems und der roten Blutkörperchen, verantwortlich.
 
Abb. 1: Epigenetische Verpackung der DNA: Die DNA (blau) mit Methylierungen (rot) umwindet Histonproteine.
Abb. 1: Epigenetische Verpackung der DNA: Die DNA (blau) mit Methylierungen (rot) umwindet Histonproteine.


Eine neuartige Sequenzierungs-Technologie ermöglichte es nun, die Epigenome aus nur wenigen bis hin zu einzelnen Zellen zu kartieren. Im Vergleich zu anderen Verfahren sind die Messungen schärfer und im Falle der sehr seltenen Stammzellen überhaupt erst möglich geworden. Die so entstandenen Karten beschreiben Muster in der DNA-Methylierung, einer speziellen epigenetischen Modifikation, die mit der Verpackung der DNA im Zellkern assoziiert ist und ihre "Lesbarkeit" beeinflusst. Sie stellen eine Art Atlas dieser Modifikation dar, der als Referenz für die epigenetische Untersuchung von Krankheiten wie Leukämie und Autoimmunerkrankungen von Nutzen ist.

"Jede Körperzelle besitzt ihr eigenes Epigenom. Herauszufinden, inwiefern sich die Epigenome verschiedener Zelltypen unterscheiden bzw. ähneln, ist von großer Bedeutung für das Verständnis vieler Erkrankungen", erklärt Thomas Lengauer, Sprecher des Saarbrücker Zentrums für Bioinformatik und Direktor am Max-Planck-Institut für Informatik. "Die Menge an Daten, die hierfür ausgewertet werden, macht bioinformatische Methoden unverzichtbar."

In der Studie verglichen die Forscher Stammzellen aus dem Blut von Erwachsenen und aus anderen Quellen wie dem Nabelschnurblut und dem Knochenmark und stellten Unterschiede fest, die mit der Verpackung der DNA im Zellkern im Zusammenhang stehen und für die Zellfunktion relevant sind. Des Weiteren konnten Muster in der epigenetischen Regulation verschiedener Vorläuferzellen identifiziert werden, die mit Zellen der angeborenen bzw. adaptiven Immunabwehr assoziiert sind. Mit Hilfe bioinformatischer Methoden konnten die Forscher die epigenetischen Gemeinsamkeiten und Unterschiede verschiedener Blutzelltypen aufzeigen. Maschinelle Lernverfahren ermöglichten es die epigenetischen Veränderungen, die sich im Laufe der Entwicklung von Blutzellen ereignen, im Computer abzubilden.

Christoph Bock erklärt dazu: "Vorläuferzellen spezialisieren sich während der Entwicklung immer mehr bis zur fertig ausdifferenzierten Blutzelle. Wir fanden in den Vorläuferzellen DNA-Methylierungsmuster, die sich wie eine Straßenkarte lesen und die möglichen Entwicklungs-Routen dieser Zelle beschreiben."

Krankheiten, die nicht durch äußere Erreger verursacht werden, sondern durch Veränderung der körpereigenen Zellen, können nicht mit Antibiotika oder Seren behandelt werden. Stattdessen sind Eingriffe in Entwicklung und Stoffwechsel der Zellen nötig. Thomas Lengauer beschreibt eine Zielrichtung der Forscher "Aus der Kenntnis der Abläufe bei der Zelldifferenzierung erhoffen wir uns bessere Diagnose- und Therapiemöglichkeiten bei Erkrankungen, die im Zusammenhang mit der Teilung von Körperzellen stehen. Sind die epigenomischen Merkmale einer krankhaften Zellveränderung bekannt, kann man nach gezielten Eingriffen forschen, die nur diese Zellen betreffen."
 

Quelle: Max-Planck-Institut für Informatik

Literatur:

Matthias Farlik, Florian Halbritter, Fabian Müller et al.
DNA Methylation Dynamics of Human Hematopoietic Stem Cell Differentiation
Cell Stem Cell, Available online 17 November 2016
http://dx.doi.org/10.1016/j.stem.2016.10.019


Anzeige:
Fachinformation

Das könnte Sie auch interessieren

Blasenentzündung: Erstmal ohne Antibiotikum behandeln

Blasenentzündung: Erstmal ohne Antibiotikum behandeln
© absolutimages - stock.adobe.com

Blasenentzündungen sind kein Phänomen der kalten Jahreszeit, auch in den Sommermonaten tritt die Infektion häufig auf. Denn wenn nasse Badekleidung nicht rasch genug ausgezogen oder die abendliche Kühle unterschätzt wird, macht man es Bakterien unfreiwillig leicht. Harnwegsinfektionen werden oft sofort mit einem Antibiotikum behandelt. Noch immer zu wenig bekannt ist: Antibiotika sind bei diesem Krankheitsbild in vielen Fällen unnötig. Ihr unkritischer Einsatz trägt zudem zur Entstehung von Antibiotikaresistenzen bei. Darauf weist die Deutsche...

Handhygiene stärken – Krankenhausinfektionen vermeiden

Handhygiene stärken – Krankenhausinfektionen vermeiden
© Picture-Factory / fotolia.com

Es ist die denkbar einfachste Hygienemaßnahme der Welt: das Händewaschen. Vielleicht wird seine Effizienz gerade deshalb oft unterschätzt. Anlässlich des Internationalen Tages der Händehygiene, den die WHO am 5. Mai begeht, erinnert die Deutsche Gesellschaft für Infektiologie (DGI) daran, dass eine sorgsame Händehygiene das mit Abstand wichtigste und effektivste Mittel ist, um die Übertragung und Ausbreitung von Infektionen zu begrenzen. Dies gilt nicht nur im Alltag, sondern gerade auch in Kliniken und Gesundheitseinrichtungen. Anstatt ineffiziente...

Sie können folgenden Inhalt einem Kollegen empfehlen:

"Epigenetisches Modell für die Entwicklung von Blutzellen"

Bitte tragen Sie auch die Absenderdaten vollständig ein, damit Sie der Empfänger erkennen kann.

Die mit (*) gekennzeichneten Angaben müssen eingetragen werden!

Die Verwendung Ihrer Daten für den Newsletter können Sie jederzeit mit Wirkung für die Zukunft gegenüber der rsmedia GmbH widersprechen ohne dass Kosten entstehen. Nutzen Sie hierfür etwaige Abmeldelinks im Newsletter oder schreiben Sie eine E-Mail an: info[at]rsmedia-verlag.de.


EILMELDUNGEN zu SARS-CoV-2 und COVID-19
  • Nächtliche Ausgangssperre in Südafrika – Außerdem Maskenpflicht und Alkoholverbot (dpa, 12.07.2020).
  • Nächtliche Ausgangssperre in Südafrika – Außerdem Maskenpflicht und Alkoholverbot (dpa, 12.07.2020).

Cookies

Diese Webseite benutzt Cookies, um den Nutzern das beste Webseiten-Erlebnis zu ermöglichen. Ausserdem werden teilweise auch Cookies von Diensten Dritter gesetzt. Weitere Informationen erhalten Sie in den Allgemeine Geschäftsbedingungen und in den Datenschutzrichtlinien.

Verstanden