Stammzellen und Zelltypkomplexität in einer Seeanemone

In der Evolution der Tiere sind eine Vielzahl von Körperbauplänen entstanden. Seit jeher ist es eine der fundamentalen Fragen der Biologie, wie diese morphologische Komplexität genetisch kodiert wird. Um die Komplexität von tierischen Bauplänen zu erfassen, ist die Bestimmung der Zelltyp-Diversität von entscheidender Bedeutung. Wie diese Vielfalt und die Homeostase der Zelltypen auch im adulten Organismus durch Stammzellen erhalten werden kann, ist zudem von grosser biomedizinischer Bedeutung. Menschen altern unter anderem dadurch, dass ihre Stammzellen als Folge eines Ungleichgewichts zwischen Selbsterneuerung und Differenzierung verloren gehen. Im Gegensatz dazu können einfachere Organismen wie Nesseltiere (Cnidaria) kontinuierlich neue Zellen aus Stammzellen differenzieren, ohne erkennbare Zeichen von Seneszenz. Ein wichtiger Modellorganismus unter den Cnidaria ist die Seeanemone Nematostella vectensis, deren Stammzellen allerdings bis zum heutigen Tag nicht identifiziert werden konnten. Es ist eine der offenen Fragen, ob es einen Zusammenhang zwischen genetischer und morphologischer Komplexität und den nicht-alternden Eigenschaften der Stammzellen in diesen Organismen gibt. Um dies aufzudecken, wollen wir in diesem Projekt die gesamte Zelltypdiversität der Seeanemone Nematostella vectensis entschlüsseln und die bislang unendeckten Stammzellen identifizieren, indem wir die Tiere zu verschiedenen Entwicklungsstadien in Einzelzellen dissoziieren und das transkriptionelle Profil dieser Einzelzellen durch Sequenzierung bestimmen. Um möglichst eine grosse Anzahl von Zellen sequenzieren zu können, verwenden wir Mikrofluidics, in dem immer in einem winzigen Tropfen eine Zelle mit den Reagenzien zur Sequenzierung der RNA zusammengeführt werden. Wir planen die Sequenzierung des Transkriptoms von Einzelzellen, um die komplette Diversität der Zelltypen und ihr spezifisches Profil zu erfassen. Die Rolle der identifizierten Stammzellgene und ihr Effekt auf die Differenzierung verschiedener Zelltypen wird funktionell durch knockdown und knockout Experimenten untersucht. In transgenen Tieren werden wir die Differenzierung dieser Stammzellen in vivo verfolgen können. Langfristig sollen diese Erkenntnisse dazu beitragen zu verstehen, warum Cnidaria ein solch bemerkenswertes Regenerationsvermögen haben und so langlebig sind ohne zu altern.

Nahezu alle differenzierten Zellen und Gewebe im menschlichen Körper stammen von frühen embryonalen Prozessen ab und sind sehr langlebig wie z.B. Neuronen des Gehirns und Rückenmarks, oder aber sie warden kontinuierlich durch adulte Stammzellen ersetzt, wie z.B. Haare, Darmepithelzellen und Blutzellen. Die Aufrechterhaltung der zellulären Homeostase im Organismus beruht daher auf einer kritischen Balance von Proliferation und Differenzierung der adulten Stammzellen während des ganzen Lebens, ein Prozess, der häufig bei Krankheit oder Altern gestört wird. Wie Organismen diese Balance über sehr lange Zeit beibehalten können, könnte z.B. in Seeanemonen studiert werden, die gemeinhin als unsterblich oder zumindest sehr langlebig gelten. Seeanemonen gehören zusammen mit Korallen und Quallen zur Gruppe der Cnidaria. Tiere dieser Gruppe sind nicht nur für ihre Langlebigkeit bekannt, sondern auch für ihre erstaunliche Regenerationsfähigkeit. In dieser Studie haben wir modern Technologie, die Einzelzellsequenzierung, benutzt um die jeweils aktiven Gene in Tausenden von Einzelzellen über die gesamte Entwicklung hinweg zu identifizieren und auch damit ein Profil der verschiedenen Zelltypen bzw. Übergangsstadien zu erhalten. Durch dieses Verfahren haben wir einen Atlas der Entwicklung aller Zelltypen im gesamten Organismus erstellen können. Jeder Zelltyp ist durch ein ganz charakteristisches genetisches Profil gekennzeichnet. Dies war die Grundlage für die Herstellung von mehreren transgenen Tierlinien, in denen wir spezifische Zelltypen durch ein fluoreszentes Protein im lebenden Organismus sichtbar machen und verfolgen können. Während in Wirbeltieren und anderen Tieren die Entstehung des zentralen Nervensystems weitgehend auf die frühen embryonalen Stadien beschränkt ist, findet die Differenzierung der Neuronen und Drüsenzellen in Seeanemonen kontinuierlich auch noch in adulten Stadien statt, unter Beibehaltung des embryonalen genetischen Programms. Neuronen, Drüsenzellen und Nesselzellen stammen alle von einem Pool von Stammzellen ab. Transgene Linien, die diese möglichen Stammzellen sichtbar machen, erlauben es in der Zukunft, die Zellen im Tier zu lokalisieren und ihre Differenzierung in Neurone und andere Zelltypen zu verfolgen und dadurch zu studieren, wie Seeanemonen in der Lage sind, ihre Zelltypen ihr Leben lang zu ersetzen.