Das Zusammenspiel von Genen und Zellen während der Entwicklung von der befruchteten Eizelle zum Embryo ist hochkomplex. Bisherige Methoden erfassten die Genaktivität nur in zweidimensionalen Schnitten. Dadurch war eine Darstellung des gesamten Embryos nicht möglich, und die räumliche Auflösung blieb begrenzt. Zudem werden subzelluläre Muster so oft nicht erkannt.
Eine neue Methode ermöglicht es dem Forschungsteam um Prof. Alex Schier am Biozentrum der Universität Basel nun, die Aktivität tausender Gene im gesamten Embryo sichtbar zu machen und sie mit Zellreifung und Zellbewegungen zu verknüpfen. Das Ergebnis ist ein umfassender Atlas der frühen Embryonalentwicklung und liefert neue Einblicke darin, wie Gene und Zellen den wachsenden Embryo formen. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht.
Ein 4D-Atlas für Gene und Zellen
«Eine zentrale Frage lautet: Wie arbeiten tausende Gene in einem Embryo zusammen, und wie ist ihre Aktivität mit der Bewegung der Zellen verknüpft?», sagt Erstautorin Yinan Wan. Um diese Frage zu beantworten, entwickelte Schiers Team eine neue Bildgebungstechnologie namens weMERFISH. Sie erlaubt es, die Aktivität von nahezu 500 Genen in ganzen Geweben mit subzellulärer Auflösung direkt zu messen.
Auf Basis dieser Messungen erstellten die Forschenden einen Atlas der frühen Embryonalentwicklung. «Durch die Kombination früherer Einzelzell-Daten mit unseren Messungen der Genaktivität konnten wir räumliche Muster tausender Gene sowie die Aktivität von rund 300'000 potenziellen regulatorischen Regionen berechnen», erklärt Wan. Die Daten sind über die Webplattform MERFISHEYES frei zugänglich (http://schier.merfisheyes.com). «Der Atlas ist als Ressource für Entwicklungsbiologinnen und -biologen weltweit gedacht», so Wan weiter.
Wenn Zeit im Raum sichtbar wird
Die Aufnahmen liefern nicht nur statische Bilder, sondern ermöglichen auch Rückschlüsse auf räumliche und zeitliche Prozesse. So beobachteten die Forschenden bei der Schwanzbildung, dass Zellen entlang der Körperachse in einer Abfolge von Entwicklungsstadien angeordnet sind: An der Schwanzspitze befinden sich unreife Stammzellen, weiter vorne zunehmend reife Zellen wie etwa Muskelzellen. «In gewisser Weise kann man Zeit im Raum sehen», erklärt Wan. «Überraschend war zudem, dass Veränderungen in der Genaktivität mit der Reifung und Wanderung der Zellen im Embryo korrelieren und damit die Dynamik der Genexpression mit morphogenetischen Bewegungen verknüpft ist.»