Wie Fliegen das Sehvermögen entwickeln: Wissenschaftler verwenden Single

Forscher entdecken neue Zelltypen im Gehirn sich entwickelnder Fliegen dank einer neuen Methode, die zelltypspezifische genetische Werkzeuge schafft

Forscher der New York University haben neue Zelltypen im visuellen System von Fliegen entdeckt, was durch die Entwicklung eines Werkzeugs ermöglicht wurde, das Neuronen während der Entwicklung findet und markiert.

Die in der Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) veröffentlichte Studie kombiniert Einzelzellsequenzierungsdaten mit einem neuartigen Algorithmus, um Genpaare zu identifizieren, die auf bisher unbekannte Zellen im Gehirn von Fruchtfliegen hinweisen.

Fruchtfliegen (auch Drosophila genannt) werden seit langem als Modellorganismus genutzt, um grundlegende Fragen zur Entwicklung und Funktion des Gehirns zu untersuchen. Anstelle der 86 Milliarden Neuronen des Menschen verfügen Fruchtfliegen über etwa 100.000 Neuronen – was die Erforschung des Gehirns zu einem überschaubareren, aber immer noch komplexen Unterfangen macht.

Der Einsatz genetischer Werkzeuge, die verschiedene Zelltypen in Fruchtfliegen unterscheiden können, hat die Untersuchung neuronaler Schaltkreise im Gehirn revolutioniert und es Wissenschaftlern ermöglicht, die Entwicklung, Funktion und das Verhalten der Schaltkreise präzise zu verstehen.

„Ein Kennzeichen des Zentralnervensystems ist die Vielfalt verschiedener Zelltypen, die für so viele verschiedene Funktionen verantwortlich sind“, sagte Claude Desplan, Silberprofessor für Biologie und Neurowissenschaften an der NYU und leitender Autor der Studie.

Frühere Untersuchungen in Desplans Labor nutzten Einzelzellsequenzierung, um festzustellen, dass es im visuellen System der sich entwickelnden Fliege etwa 200 Zelltypen gibt. Die Einzelzellsequenzierung zeigt die Genexpression. Wenn Zellen also die gleichen Genexpressionsmuster aufweisen, erfüllen sie wahrscheinlich die gleiche Aufgabe und gehören daher zum gleichen Zelltyp.

Wissenschaftler konnten anhand ihrer Genexpression und früherer Studien etwa die Hälfte der 200 Zelltypen im visuellen System der sich entwickelnden Fliege identifizieren, es fehlte ihnen jedoch eine Möglichkeit, die anderen 100 Zelltypen einfacher zu untersuchen und zu kennzeichnen. Bestehende Werkzeuge, die eine präzise Manipulation neuronaler Schaltkreise erwachsener Fruchtfliegen ermöglichten, versäumten es oft, dieselben Neuronen während der Entwicklung zu kennzeichnen, wodurch diese Werkzeuge für die Untersuchung von Zellen im sich entwickelnden Gehirn ungeeignet waren.

„Darüber hinaus erfordert der bisherige Ansatz zur Identifizierung von Zelltypen aufwändige Tests zahlreicher Genkandidatenkombinationen. Wir wussten, dass wir einen viel effizienteren Ansatz zur Kennzeichnung spezifischer Zelltypen brauchten, und konnten die wachsende Menge an verfügbaren Einzelzellsequenzierungsdaten nutzen“, sagte Yu-Chieh David Chen, Postdoktorand am Department of Biology der NYU und Erstautor der Studie.

Chen und seine Kollegen haben ein Tool entwickelt, das die umfangreichen Einzelzellsequenzierungsdaten für das sich entwickelnde Sehsystem der Fliege nutzt, um Gene – und Kombinationen von Genen – zu identifizieren, die ausschließlich in bestimmten Zelltypen exprimiert werden.

Um einen Zelltyp zu finden, suchen Forscher normalerweise nach genetischen Markern oder einzelnen Genen, die für einen Zelltyp spezifisch sind. Oft wird ein Gen jedoch in mehreren Zelltypen exprimiert, was es schwierig macht, ein einziges Gen zur Unterscheidung zwischen ihnen zu verwenden. Das von den NYU-Forschern entwickelte Tool verwendet einen etwas anderen Ansatz: Es werden zwei Gene gefunden, die sich nur in einem Zelltyp überlappen.

Durch die Einspeisung von Einzelzell-RNA-Sequenzierungsdaten in einen von ihnen erstellten Algorithmus identifizierten die Forscher systematisch Genpaare, die in den meisten Zelltypen im visuellen System der Fruchtfliege in mehreren Entwicklungsstadien eindeutig exprimiert werden. Ein solches Genpaar führte zur Entdeckung von MeSps, einem brandneuen Zelltyp.

„Trotz einer langen Geschichte der Erforschung des visuellen Systems der Fruchtfliege hatten wir diesen Zelltyp noch nie zuvor gesehen“, sagte Chen.

Während sich zukünftige Forschungen mit der Entwicklung und Funktion von MeSps befassen werden – beispielsweise mit der Frage, ob es Farbe, Bewegung oder andere Merkmale von Licht erkennt –, wird dieser Forschungsweg durch die neuen Werkzeuge ermöglicht.

Die Forscher weisen darauf hin, dass ihre Werkzeuge auch zur Untersuchung anderer Systeme jenseits des Sehvermögens in der sich entwickelnden Fliege eingesetzt werden können, sofern Einzelzelldaten verfügbar sind. Darüber hinaus kann ihre Logik, Markergenpaare anstelle eines einzelnen Markergens zu finden, auf die Forschung an anderen Arten angewendet werden.

„Anstatt nach einem einzigen guten Markergen zu suchen, kann eine einfache Optimierung, bei der nur zwei Gene betrachtet werden, eine hohe Zelltypspezifität erreichen“, sagte Chen.

„Dieser bahnbrechende und effiziente Ansatz bietet außergewöhnliche Werkzeuge für den Bereich der Neurowissenschaften, um Entwicklungsfragen mit hoher Präzision zu untersuchen“, sagte Desplan.

Zu den Studienautoren zählen neben Chen und Desplan auch Yen-Chung Chen, Raghuvanshi Rajesh sowie die Bachelor-Studenten Nathalie Shoji und Maisha Jacy von der NYU; Haluk Lacin von der University of Missouri-Kansas City; und Ted Erclik von der University of Toronto-Mississauga. Die Forschung wurde durch Zuschüsse der National Institutes of Health (R01-EY013010, R01-EY13012 und F32-EY032750) unterstützt.