Base-Editing-Technik enthüllt entscheidendes Gen für die frühe menschliche Entwicklung

Untersuchungen unter der Leitung des Loke Centre for Trophoblast Research der Universität Cambridge haben gezeigt, dass eine Genombearbeitungstechnik verwendet werden kann, um ein einzelnes Gen in menschlichen Embryonalzellen zu verändern, was die Untersuchung der sehr frühen menschlichen Entwicklung in beispielloser Detailliertheit ermöglicht.

Die als Base Editing bezeichnete Technik ist eine präzisere Version der Genomeditierungstechnik CRISPR/Cas9. Es kann ein einzelnes Nukleotidbasenpaar – den Grundbaustein der DNA – innerhalb eines menschlichen Genoms von etwa 3 Milliarden Basenpaaren verändern.

Mithilfe der Baseneditierung blockierten die Forscher ein Gen namens NANOG in sehr frühen menschlichen Embryonen und stellten fest, dass sich die Zellen des frühen Embryos nicht zu spezialisierteren pluripotenten Zellen namens Epiblast entwickeln konnten, die später den Körper bilden.

Die Ergebnisse zeigen die entscheidende Rolle von NANOG bei der Entwicklung menschlicher Embryonen und helfen Wissenschaftlern, besser zu verstehen, wie sich menschliche Embryonen in den ersten Tagen nach der Befruchtung einer Eizelle entwickeln.

Ohne NANOG könnten sich immer noch die Zellen bilden, aus denen später die Plazenta und der Dottersack werden – die Gewebe, die den sich entwickelnden Embryo unterstützen.

Obwohl bereits über die Bearbeitung der Basis menschlicher Embryonen berichtet wurde, ist dies das erste Mal, dass diese Technik zur Untersuchung der Genfunktion in menschlichen Embryonen eingesetzt wird. Die Ergebnisse zeigen, dass die extreme Präzision der Technik die Wahrscheinlichkeit unbeabsichtigter Chromosomenanomalien verringert, die bei einer anderen, weiter verbreiteten Version von CRISPR/Cas9 auftreten können.

Ein besseres Verständnis der Rolle von Genen, die für die menschliche Entwicklung erforderlich sind, wie z. B. NANOG, könnte in Zukunft dazu beitragen, die IVF-Erfolgsraten zu verbessern und den Verlust früher Schwangerschaften besser zu verstehen.

Base Editing könnte möglicherweise in Zukunft auch dazu verwendet werden, bestimmte Gene für schwächende Erbkrankheiten – wie Mukoviszidose und die Huntington-Krankheit – in menschlichen Embryonen zu bearbeiten, um zu verhindern, dass die Krankheiten an zukünftige Generationen weitergegeben werden. Allerdings wäre dies im Vereinigten Königreich derzeit gesetzlich nicht zulässig. Vor einem künftigen klinischen Einsatz wären umfangreiche Sicherheitstests, eine Weiterentwicklung der Technik sowie eine breite öffentliche Debatte und Unterstützung erforderlich.

„Base-Editing stellt einen erheblichen Fortschritt gegenüber herkömmlichem CRISPR/Cas9 dar, da es ein weitaus geringeres Risiko birgt, unbeabsichtigte Chromosomenfehler zu verursachen. Base-Editing kann ein einzelnes Nukleotid-Basenpaar in einem gesamten menschlichen Genom von rund 3 Milliarden Basenpaaren präzise in ein anderes ändern – das ist eine unglaubliche Leistung“, sagte Professorin Kathy Niakan vom Loke Centre for Trophoblast Research der Universität Cambridge, die die Studie leitete.

Sie fügte hinzu: „Unsere Ergebnisse zeigen, dass das NANOG-Gen entscheidend für die Entwicklung pluripotenter Zellen ist, den Bausteinen, die für die menschliche Entwicklung von grundlegender Bedeutung sind.“

Pluripotente Zellen können sich zu jedem anderen Zelltyp im Körper entwickeln und werden häufig in der biomedizinischen Forschung eingesetzt, von Medikamententests bis hin zur Krankheitsmodellierung. Menschliche embryonale Stammzellen, die pluripotent sind, entstehen in einem Teil des sich entwickelnden Embryos, der ein hohes Maß an NANOG-Aktivierung aufweist. Dies lässt Wissenschaftler vermuten, dass NANOG eine wichtige Rolle bei ihrer Entstehung spielt.

Die Präzision der Basenbearbeitung ist ein großer Fortschritt gegenüber der vorherigen Generation von Genombearbeitungstechniken. Dadurch können wir die frühe menschliche Entwicklung mit größerer Sicherheit untersuchen.“

Dr. Oliver Bower, Forscher am Loke Centre for Trophoblast Research der Universität Cambridge und Erstautor der Studie

Er fügte hinzu: „Indem wir herausfinden, wie Gene wie NANOG die Entwicklung pluripotenter Zellen steuern, können wir Stammzellsysteme für die biomedizinische Forschung vorhersehbarer und zuverlässiger machen.“

Die menschliche Entwicklung folgt nicht immer dem Bauplan der Maus

Jahrzehntelange Tierforschung, insbesondere an Mäusen, war entscheidend für die Identifizierung von NANOG als einem Gen, das wahrscheinlich eine wichtige Rolle in der frühen Entwicklung spielt. Diese Studie zeigt jedoch, dass NANOG in Embryonen von Menschen und Mäusen nicht identisch funktioniert.

In früheren Studien an Mäusen führte der Verlust von NANOG zu einer Störung sowohl des Epiblasten als auch des Dottersacks – eines Gewebes, das den sich entwickelnden Embryo stützt. In dieser Studie an menschlichen Embryonen wirkte sich der Verlust von NANOG vor allem auf den Epiblast aus, die zukünftige körperbildende Zelllinie.

Bisher war es nicht möglich, die Funktion von NANOG in menschlichen Embryonen direkt zu untersuchen, da die verfügbaren Genom-Editierungstechniken, wie das herkömmliche CRISPR/Cas9, zu viele unbeabsichtigte Schäden an der DNA verursachen. Diese Arbeit unterstreicht die Bedeutung der direkten Untersuchung der menschlichen Entwicklung.

„Wir hatten vorhergesagt, dass das Gen namens NANOG aufgrund seiner Bedeutung für die Entwicklung von Mäuseembryonen eine wirklich wichtige Rolle in der menschlichen Entwicklung spielen würde. Wir fanden heraus, dass NANOG beim Menschen etwas anders funktioniert als bei Mäusen, was bedeutet, dass unsere Annahmen über die Rolle dieses Gens nicht reibungslos auf die verschiedenen Arten übertragen werden können“, sagte Dr. Katarina Harasimov, Forscherin am Loke Centre for Trophoblast Research der Universität Cambridge, die ebenfalls an der Studie beteiligt war.

Ethische und rechtliche Einhaltung

Bei den in der Studie verwendeten Embryonen, Eizellen und Spermien handelte es sich um unbenutzte Proben, die von Paaren gespendet wurden, die sich einer IVF-Behandlung unterzogen hatten. Die meisten Spender hatten ihre Familie vervollständigt und wollten, dass ihre überschüssigen Embryonen, Eizellen oder Spermien für Forschungszwecke verwendet werden.

Die Embryonen wurden im Labor nur bis zu sechseinhalb Tage nach der Befruchtung kultiviert und ließen sie dann sterben.

Die Studie wurde unter einer Forschungslizenz und strenger behördlicher Aufsicht der Human Fertilization and Embryology Authority (HFEA) durchgeführt, der unabhängigen Regulierungsbehörde der britischen Regierung, die die Fruchtbarkeitsbehandlung und -forschung überwacht. Die Forschung wurde auch von der Forschungsethikkommission von Newcastle und North Tyneside überprüft und genehmigt.

Die Studie wird heute in der Fachzeitschrift veröffentlicht Natur.

Es war durchgeführt von Wissenschaftlern am Loke Centre for Trophoblast Research der Universität Cambridge in Zusammenarbeit mit Kollegen der Monash University, dem Broad Institute of Harvard und MIT, dem Francis Crick Institute, dem MRC Laboratory of Molecular Biology sowie klinischen Mitarbeitern der Bourn Hall Clinic, des Newcastle Fertility Centre, des Assisted Reproduktion and Gynecology Centre, des Create Fertility und des Centre for Reproductive and Genetic Health.

Quellen: