Hirnorganoid enthüllt genetische Grundlagen von Autismus

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Autor: Scho

Die genetischen Grundlagen von Autismus können Wissenschafter des Instituts für Molekulare Biotechnologie (IMBA) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) mithilfe einer neuen Methode erforschen. Durch die Kombination der Hirnorganoid-Technologie und komplexer Genetik ist es mit dem neuen, im Fachjournal „Nature“ vorgestellten System möglich, die Auswirkungen mehrerer Mutationen gleichzeitig und in einzelnen Zellen von menschlichen Hirnorganoiden zu untersuchen.

In klinischen Studien wurde bereits ein kausaler Zusammenhang zwischen mehreren Genmutationen und Autismus-Spektrum-Störungen (ASD) gezeigt. Allerdings ist noch unklar, wie diese Mutationen zu Entwicklungsstörungen des Gehirns führen. An Tiermodellen lässt sich das nicht untersuchen, da die Entwicklung des menschlichen Gehirns einzigartig ist.

Aus diesem Grund ist man auf menschliche Modelle angewiesen, etwa sogenannte Hirnorganoide. Dabei handelt es sich um dreidimensionale Gewebestrukturen, die im Labor aus menschlichen Stammzellen erzeugt werden. An diesen Zellstrukturen lassen sich verschiedene Aspekte, Krankheiten und Entwicklungsstadien des Gehirns erforschen.

Jürgen Knoblich und seine Kolleginnen und Kollegen konzentrierten sich auf 36 Mutationen, von denen man weiß, dass sie ein hohes Risiko für ASD darstellen.

Ein Team um IMBA-Chef Jürgen Knoblich hat nun gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen von der ETH Zürich (Schweiz) eine Methode namens CHOOSE (CRISPR-human organoids-single-cell RNA sequencing) entwickelt, mit der sich die Folgen mehrerer Mutationen in einem einzigen Experiment sehen lassen. Sie konzentrierten sich dabei auf 36 Mutationen, von denen man weiß, dass sie ein hohes Risiko für ASD darstellen. Dabei handelt es sich um Gene, die andere Gene regulieren (Transkriptionsfaktoren).

„Wir zerstören diese Gene alle in einem Organoid, und zwar in jeder Zelle eines davon. Dann lassen wir das Organoid wachsen und bestimmen dann mit unserer Methode in jeder Zelle, welche Gene ein- oder ausgeschalten sind“, erklärte Knoblich gegenüber der APA. Die Forscher wissen also von jeder der rund 150.000 Zellen des Organoids, welches Autismus-Gen jeweils zerstört wurde und welche Gene jeweils an bzw. aus sind. Am Computer lässt sich dann analysieren, welche Konsequenzen es hat, wenn in den verschiedenen Zelltypen Gen 1, oder Gen 2 oder Gen 3, usw. zerstört ist. Die Experten können also die Auswirkungen jeder Mutation auf jede einzelne Zelle jedes Zelltyps verfolgen und von jeder einzelnen Zelle den Entwicklungsverlauf abbilden.

„Das ist eine Riesenmenge an Daten, die man nur bioinformatisch auflösen kann – aber ein ganz wichtiger Datensatz, der allen, die auf diesem Gebiet arbeiten, erlaubt nachzuschauen, was ein bestimmtes Gen im menschlichen Gehirn macht“, so Knoblich. Unterscheidet man dann nicht die verschiedenen ausgeschalteten Gene, sondern nur Mutanten und Nicht-Mutanten, ermöglicht die neue Methode auch nach gemeinsamen Merkmalen von Autismus zu suchen – und sich damit einer Schlüsselfrage von ASD anzunähern.

Krankheit oder Symptom?

„Es ist ja noch nicht geklärt, ob es sich bei Autismus um eine Krankheit oder ein Symptom handelt – so wie Fieber ein Symptom und keine Krankheit ist, und auf ganz verschiedene Art und Weise ausgelöst werden kann“, so der IMBA-Chef. Tatsächlich haben die Wissenschafter ein Stadium in der Entwicklung entdeckt, das ganz oft betroffen und empfindlicher ist – und zwar am Übergang zwischen den tieferen und oberen, nahe am Schädelknochen befindlichen Nervenzell-Schichten des Gehirns. „Das deutet darauf hin, dass Autismus wirklich eine Krankheit ist und es eine gemeinsame Ursache dafür gibt“, sagte Knoblich.

Das CHOOSE-System bedeutet den Angaben der Forscher zufolge einen großen Schritt vorwärts in der Erforschung krankheitsverursachender Gene. „Dadurch, dass wir alle Gene gemeinsam studieren, untersuchen wir eine Krankheit insgesamt und können Schlüsse daraus ziehen, die weit darüber hinausgehen, was man bekommt, wenn man nur einzelne Gene analysiert“, betonte Knoblich. Weil sich die Folgen jeder Mutation in einem einzigen Experiment zeigen, lasse sich die Analysezeit im Vergleich zu traditionellen Methoden drastisch verkürzen.

Die Methode eignet sich zur Untersuchung verschiedener Krankheiten in anderen menschlichen Modellsystemen – menschliche Organoide gibt es ja bereits für die verschiedensten Organe wie Herz, Niere, Leber, Blutgefäße, Darm, etc. Entsprechend groß sei bereits das Interesse an dem System anderer Labors, sagte Knoblich.

Die Fachpublikation finden Sie hier.

(APA/red.)

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