Umprogrammierung von Blutzellen, um Spermienvorläufer zu erzeugen

Verschiedene Zelltypen – beispielsweise Herz-, Leber-, Blut- und Spermienzellen – besitzen Eigenschaften, die ihnen helfen, ihre einzigartigen Aufgaben im Körper zu erfüllen. Im Allgemeinen sind diese Eigenschaften fest verdrahtet. Ohne Eingriff verwandelt sich eine Herzzelle nicht spontan in eine Leberzelle. Forschern der University of Pennsylvania School of Veterinary Medicine ist es jedoch in Zusammenarbeit mit Kollegen der University of Texas at San Antonio und des Texas Biomedical Research Institute gelungen, Blutzellen von Marmosetten so zu verändern, dass sie die Flexibilität von Stammzellen erlangen. Anschließend haben sie diese Stammzellen dazu gebracht, die Eigenschaften von Spermienvorläufern anzunehmen.

Die Ergebnisse – die ersten bei Marmosetten, einer kleinen Affenart – eröffnen neue Möglichkeiten für die Erforschung der Primatenbiologie und die Entwicklung neuartiger assistierter Reproduktionstechnologien wie der in vitro Gametogenese, einem Verfahren zur Erzeugung von Keimzellen, Spermien oder Eizellen in einer Laborschale, ähnlich wie bei der in vitro Befruchtung, bei der ein Embryo außerhalb des menschlichen Körpers erzeugt wird.

Marmosetten sind ein wertvolles Modell für reproduktionsbiologische Studien

„Wissenschaftler wissen, wie man aus induzierten pluripotenten Stammzellen in Mäusen funktionsfähige Spermien und Eizellen erzeugt, aber Keimzellen von Mäusen unterscheiden sich stark von menschlichen Keimzellen“, sagte Kotaro Sasaki, Assistenzprofessor an der Penn Vet. „Durch die Untersuchung von Marmosetten, deren Biologie unserer eigenen ähnlicher ist, können wir diese Lücke schließen.“

Um zu verstehen, wie Keimzellen erzeugt werden, untersuchten die Forscher zunächst Keimzellvorläufer aus Marmosettenembryonen, die für diese Spezies noch nie genau charakterisiert worden waren. Sie fanden heraus, dass diese Zellen im Frühstadium, die als primordiale Keimzellen (PGCs) bezeichnet werden, bestimmte molekulare Marker aufweisen, die über einen längeren Zeitraum verfolgt werden können. Die Einzelzell-RNA-Sequenzierung dieser Zellen ergab, dass PGCs Gene exprimierten, die für Keimzellen im Frühstadium charakteristisch sind, sowie Gene, die mit epigenetischen Modifikationen in Verbindung stehen, welche die Genexpression regulieren. PGCs exprimierten jedoch keine Gene, von denen bekannt ist, dass sie später im Prozess der Keimzellentwicklung aktiviert werden, wenn die Vorläuferzellen in die Eierstöcke oder Hoden wandern, um ihre Reifung abzuschließen.

Ihre Ergebnisse stehen „im Einklang mit der Vorstellung, dass Keimzellen von Marmosetten einen Reprogrammierungsprozess durchlaufen“, sagt Sasaki, der bestimmte Marker „ausschaltet“ und es den PGCs ermöglicht, die Stadien der Keimzellentwicklung zu durchlaufen. Die Muster, die die Forscher in Marmosettenzellen beobachteten, ähnelten stark denen, die sowohl bei Menschen als auch bei anderen Affenarten gefunden wurden, unterschieden sich jedoch von denen bei Mäusen – ein weiterer Grund, warum Marmosetten ein wertvolles Modell für reproduktionsbiologische Studien sein könnten.

Wie Spermienvorläufer entstehen

Mit diesen Informationen machte sich das Team daran, den Entwicklungsprozess im Labor künstlich nachzubilden. Der erste Schritt bestand darin, Blutzellen in induzierte pluripotente Stammzellen (iPSCs) umzuwandeln, die die Fähigkeit behalten, sich zu einer Reihe anderer Zelltypen zu entwickeln. Nach vielen Versuchen und Irrtümern und unter Anwendung der Erkenntnisse aus Untersuchungen an Mäusen, Menschen und anderen Lebewesen gelang Seita, Postdoktorand in Sasakis Labor und einer der Hauptautoren, eine Strategie, mit der er stabile Kulturen von iPSCs erzeugen und aufrechterhalten konnte. Ein Schlüssel zum Erfolg war die Zugabe eines Inhibitors des Signalwegs, der durch das Wnt-Protein gesteuert wird, das an einer Vielzahl von Zellfunktionen wie der Zelldifferenzierung beteiligt ist.

Der nächste Schritt bestand darin, von iPSCs zu Keimzellvorläufern überzugehen. Auch hier waren umfangreiche Experimente erforderlich, um das Protokoll für diese Transformation zu entwickeln. Die Methode, die am besten funktionierte, bestand darin, einen Cocktail aus Wachstumsfaktoren hinzuzufügen, um 15 bis 40 % der Kultur erfolgreich dazu zu bringen, die Eigenschaften dieser Keimzellvorläufer anzunehmen.

In einer letzten Phase der Studie veranlasste das Forschungsteam diese im Labor gezüchteten Zellen dazu, die Eigenschaften von Keimzellen im späteren Stadium anzunehmen. Basierend auf einer Methode, die Sasaki und seine Kollegen zuvor an menschlichen Zellen entwickelt und 2020 in einem Artikel in Nature Communications veröffentlicht hatten, kultivierten sie die Zellen einen Monat lang zusammen mit Hodenzellen von Mäusen. Das Ergebnis war ein erfolgreiches Wachstum, wobei einige Zellen begannen, Gene zu aktivieren, die mit Spermienvorläufern im späteren Stadium assoziiert sind.

Assistierte Reproduktionstechnologie

Die Entwicklung neuer Ansätze zur Erforschung des Marmosettenaffen versetzt die Teams der Penn und der University of Texas at San Antonio – sowie die wissenschaftliche Gemeinschaft im Allgemeinen – in die Lage, diese Spezies als wichtiges Forschungsmodell zu nutzen. Marmosettenaffen verfügen beispielsweise über kognitive Funktionen, die denen des Menschen in vielerlei Hinsicht ähneln, und könnten daher zu neuen Erkenntnissen in den Neurowissenschaften führen.

Für Sasakis Gruppe, die sich vor allem für die Entwicklung des Fortpflanzungssystems interessiert, stellen Marmosetten einen neuen Ansatzpunkt für die Erforschung der normalen und abnormalen Entwicklung sowie der Fruchtbarkeit dar. „Wenn man über die klinischen Anwendungen einer assistierten Reproduktionstechnologie wie der in vitro Gametogenese nachdenkt, gibt es viele ethische, rechtliche und sicherheitstechnische Bedenken, die aufkommen könnten“, sagt Sasaki. „Wir brauchen auf jeden Fall ein gutes präklinisches Modell, das wir untersuchen können, bevor wir zur klinischen Anwendung am Menschen übergehen.“