16. November 2010

Effizienter Gentransfer nun auch in Säugerzellen möglich

Media Releases Human Health Biology

Wissenschaftler am Paul Scherrer Institut entwickelten ein neues Verfahren, das auch zur Entwicklung von neuen Medikamenten genutzt werden kann.

Die Gentechnik ist aus der modernen Biologie nicht mehr wegzudenken. Sie liefert Werkzeuge, mit denen Forscher Gene aus dem Erbgut von Zellen herausschneiden, verändern und einfügen können. Die stabile Einführung mehrerer Gene in Säugetierzellen gilt zwar als Schlüsseltechnologie, die verfügbaren Methoden waren bislang aber äusserst ineffizient. Wissenschaftler am PSI haben nun eine neuartige Technik entwickelt, mit der sich ein Satz von bis zu fünf Genen in einem Schritt ins Erbgut von Säugerzellen einschleusen lässt. Da Säugetiere im Gegensatz zu Bakterien oder Hefepilzen sehr nahe mit dem Menschen verwandt sind, eignet sich die Technik auch gut zur Entwicklung von neuen Medikamenten.

Gene sind die Träger der Baupläne für Eiweisse, auch Proteine genannt. Proteine agieren im Körper als molekulare Maschinen, mit deren Hilfe die Zelle ihren gesamten Stoffwechsel bewerkstelligt. Wissenschaftler, die sich mit dem Aufbau von Proteinen und deren mannigfaltigen Wechselwirkungen befassen, bedienen sich immer öfter der Gentechnik, um Zellen gezielt zu verändern, beispielsweise für strukturelle und funktionelle Studien. Dazu werden zusätzliche Gene in eine Zelle oder einen Organismus übertragen. Die Empfängerzellen lesen die fremden Baupläne ab und stellen die zu untersuchenden Proteine her. Gentechnisch veränderte Organismen, die artfremde Gene enthalten, werden als transgen bezeichnet. Verfahren zur Herstellung mehrfach transgener Bakterien sind heute bereits ausgereift. Anders verhält es sich mit höher entwickelten Organismen: Die verfügbaren Methoden waren bislang sehr aufwendig.

In ihrer Publikation vom 16. November 2010 im Online-Magazin Nature Communications beschreiben Wissenschaftler um Philipp Berger am PSI zusammen mit Kollegen vom European Molecular Biology Laboratory EMBL in Grenoble und der Universität Zürich ein neues Verfahren zur effizienten Herstellung von mehrfach transgenen Säugerzellen – genannt MultiLabel. Die am PSI entwickelte Technik verspricht nicht nur, den Biologen das zuweilen harte Laborleben einfacher zu machen, sondern eröffnet ihnen auch ein Spektrum an Möglichkeiten, Experimente durchzuführen, die bislang nur aufwendig machbar waren.

MultiLabel umfasst einen modular aufgebauten und flexibel einsetzbaren genetischen Baukasten. Er erlaubt es, bis zu fünf frei wählbare Gene in ein Trägervehikel, ein sogenanntes Plasmid, zu integrieren. Die Gene werden flankiert von zusätzlichen Steuerungselementen, die garantieren, dass die fremden Baupläne effektiv ins Genom der Gastzelle eingeschleust und anschliessend auch zusammen abgelesen werden. Die Herstellung sämtlicher Fremdproteine erfolgt dabei in einem kontrollierbaren Rahmen, was dem System eine bis anhin nicht erreichte Zuverlässigkeit verleiht. Auch reicht zur Handhabung ein Labor mit einer molekularbiologischen Standardausrüstung völlig aus. Bisherige Methoden sind technisch aufwendiger und deutlich weniger erfolgreich, da die Gene entweder einzeln nacheinander oder mithilfe von Viren in die Zielzelle eingeführt werden mussten, was letztendlich nur ungenügend kontrolliert werden konnte.

MultiLabel, die von uns entwickelte molekularbiologische Technik, ist jedoch nur ein Mittel zum Zweck – im Zentrum unseres Forschungsinteresses stehen die Proteine und ihre Interaktionen, erklärt Philipp Berger, Forscher in der Gruppe Molekulare Zellbiologie des Labors für Biomolekulare Wissenschaften am PSI und geistiger Vater von MultiLabel. Eine solche Technologie gab es bisher jedoch nicht, daher mussten wir sie selbst entwickeln, um mit unseren Forschungsarbeiten voranzukommen. MultiLabel basiert auf den Vorgängertechniken MultiBac und ACEMBL, beides Tool-Boxen zur Herstellung von Multiprotein-Komplexen in Insektenzellen und Bakterien, an deren Entwicklung Berger ebenfalls beteiligt war. Obwohl die Verfahren für die Nutzung am PSI geschaffen wurden, stellen die Wissenschaftler ihre Werkzeuge nun der Forscherwelt zur Verfügung und hoffen auf eine weite Verbreitung ihrer Methoden. Einige positive Rückmeldungen verschiedener Gruppen und Laboratorien hat Berger bereits erhalten. Das Interesse ist vorhanden, freut er sich.

Das PSI-Verfahren ermöglicht es, in transgenen Zellen von Säugetieren gleichzeitig mehrere Proteine in vorgegebener Menge und auf stabilem Niveau herzustellen. Das ist fundamental für die Krebsforschung am PSI und war bislang äusserst schwierig zu erreichen, da bestehende Methoden für die Multiprotein-Produktion in Säugerzellen ziemlich unflexibel, technisch aufwendig und sehr zeitraubend sind. Deshalb arbeiteten die Wissenschaftler um Berger schon länger daran, eine effiziente Methode zu entwickeln.

Die Einführung verschiedener Gene oder Genkombinationen in Säugerzellen ist von zentraler Bedeutung für die Life Sciences. Entsprechend vielfältig sind die Anwendungen von Bergers Technik. Für Strukturbiologen, die Bau und Funktion von menschlichen Eiweissen analysieren, ist MultiLabel besonders geeignet, weil sich damit einzelne Proteine und kleine Proteinkomplexe in ausreichenden Mengen für strukturbiologische Analysen herstellen lassen. Proteinkomplexe sind Eiweissgebilde, die aus mehreren Teilproteinen, sogenannten Untereinheiten, zusammengesetzt sind. Derzeit ist die Anzahl Untereinheiten auf fünf beschränkt. Gemäss Berger werden – aufgrund der modularen Organisation der neuen Technik – künftig aber auch grössere Multiprotein-Komplexe herstellbar.

MultiLabel wird aber nicht nur bei Strukturbiologen Verwendung finden. Zellbiologen erhalten mit MultiLabel ein wertvolles Werkzeug in die Hand, um Zellen zu verändern. Systembiologen wiederum, die Stoffwechselprozesse analysieren, können mit der Technik mehrere Parameter synchron überwachen, etwa indem fluoreszierende Proteine als Sensoren in lebenden Zellen verwendet werden. Entwicklungsbiologen schliesslich werden das Verfahren nutzen, um Körperzellen durch Zugabe bestimmter Gene in Stammzellen zurückzuverwandeln. Stammzellen besitzen die Fähigkeit, sich zu verschiedenen Gewebetypen zu differenzieren, was sie zu interessanten Kandidaten für neuartige Krankheitstherapien macht.

Text: Michael Keller

Der Film zeigt eine sich teilende Säugerzelle, die fünf verschiedene fluoreszierende Proteine herstellt.
Das Cytoskelett der Zelle wurde mit einem gelb fluoreszierenden Protein markiert (EYFP-Tubulin, oben rechts). In der sich teilenden Zelle sieht man zuerst zwei Centrosomen, dann kollabiert das ganze Cytoskelett, und die Zelle teilt sich. Am Ende der Zellteilung ist noch der Midbody zwischen diesen beiden Zellen sichtbar. Das Cytoskelett der benachbarten Zellen bleibt unverändert. Das blau fluoreszierende Protein markiert den Kern (EBFP2-Nuc, oben links), das cyan fluoreszierende Protein bindet an ein Lipid auf Endosomen (mTFP1-FYVE, oben mitte), das rot fluoreszierende Protein markiert die Mitochondrien (Mito-dsRed, unten links) und das dunkelrot fluoreszierende Protein bindet an ein Lipid auf der Zelloberfläche (Plum-PLCδ-PH, unten Mitte). Unten rechts sieht man ein Phasenkontrast-Bild der beobachteten Zellen. Die Szene dauert in der Realität drei Stunden.

Über das PSI
Das Paul Scherrer Institut entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Festkörperforschung und Materialwissenschaften, Elementarteilchenphysik, Biologie und Medizin, Energie- und Umweltforschung. Mit 1400 Mitarbeitenden und einem Jahresbudget von rund 300 Mio. CHF ist es das grösste Forschungsinstitut der Schweiz.
Kontakt / Ansprechpartner
Dr. Philipp Berger, Labor für Biomolekulare Forschung,
Paul Scherrer Institut, 5232 Villigen PSI, Schweiz,
Tel. +41 56 310 4728, E-Mail: Philipp.Berger@psi.ch
Originalveröffentlichung
A plasmid-based multigene expression system for mammalian cells
Andrijana Kriz, Katharina Schmid, Nadia Baumgartner, Urs Ziegler, Imre Berger, Kurt Ballmer-Hofer & Philipp Berger,
Nature Communications, 16 November 2010,
DOI: 10.1038/ncomms1120
Bildmaterial

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