Mutationsmix: Nach 40 Tagen Wachstum weisen zerebrale Organoide Interneuron-Vorläuferzellen (grün, obere Reihe; helle Flecken, mittlere Reihe) und Oligodendrozyten-Vorläuferzellen (rot, obere Reihe; helle Flecken, untere Reihe) auf. ARID1B-Mutationen (mittlere und rechte Spalte) führen im Vergleich zu Kontrollorganoiden (linke Spalte) dazu, dass mehr Zellen zu frühen Oligodendrozyten-Vorläufern werden.
Eine neue genetische Screening-Technik zeigt, wie Dutzende mit Autismus verbundene Mutationen das Schicksal sich entwickelnder Gehirnzellen in Organoiden verändern.
„Wir wollten Schritte in der Gehirnentwicklung finden, die besonders anfällig für autismusbedingte Genmutationen sind“, sagt Co-Forscher Jürgen Knoblich, Professor für synthetische Biologie an der Medizinischen Universität Wien in Österreich.
Der Ansatz basiert auf einer Technik, die Knoblichs Forschungsgruppe im Jahr 2020 entwickelt hat, um Gene, die mit Mikrozephalie in Zusammenhang stehen, auf ihre Fähigkeit hin zu untersuchen, das Zellwachstum zu beeinträchtigen. In dieser Studie verwendete das Team CRISPR, um eine Reihe genetischer Mutationen in menschlichen Stammzellen zu erzeugen, züchtete jede Stammzelle zu einem Organoid und verwendete einzigartige genetische Barcodes, um die Mutationen zu verfolgen, die jede Zelle anhäufte.
In ihrem neuen Werk, veröffentlicht im September in Natur, verwendete das Team einen ähnlichen Ansatz, um menschliche Organoide zu erzeugen, die Mutationen in 36 Genen tragen, die stark mit Autismus verbunden sind. Jede Zelle der Mosaik-Organoide enthielt eine einzelne Mutation.
„Das ist das erste Mal, dass ich so viele Gene auf einmal im selben Modell untersucht habe“, sagt Flora Vaccarino, Professorin für Neurowissenschaften an der Yale University, die nicht an dieser Studie beteiligt war. „Es ist wirklich erstaunlich.“
Nachdem die Organoide vier Monate lang gewachsen waren und sich bei jeder Mutation Tausende von Zellen angesammelt hatten, verwendeten Knoblich und seine Kollegen die Einzelzell-RNA-Sequenzierung, um die Häufigkeit einzelner Zelltypen zu messen.
CIn ortischen Organoiden wächst typischerweise eine Mischung aus Neuronen und Gliazellen, die in Schichten angeordnet sind, die denen der menschlichen Großhirnrinde ähneln. Mutationen in 24 der 36 Gene veränderten das Verhältnis von erregenden Neuronen zu hemmenden Interneuronen, fanden die Forscher heraus. Etwa ein Drittel der Mutationen reduzierte die Anzahl intermediärer Vorläuferzellen, die erregende Neuronen über kortikale Schichten hinweg entstehen lassen und vermutlich wichtig für die Integration von Informationen über Gehirnregionen hinweg sind.
„Diese Frage des Ungleichgewichts scheint ein gemeinsamer Nenner der Pathogenese der Autismus-Spektrum-Störung zu sein“, sagt Vaccarino.
Insbesondere Mutationen in einem Gen, ARID1B, führten zu einem der „stärksten und interessantesten“ Ergebnisse bei den Organoiden, sagt Knoblich. ARID1B-Mutationen führten dazu, dass mehr Zellen als üblich zu Oligodendrozyten-Vorläufern wurden, die die elektrische Isolierung um Neuronen erzeugen und mit Autismus in Verbindung gebracht wurden.
Die Studie zeigt, dass zerebrale Organoide, die von zwei Personen mit ARID1B-Mutationen stammen, beide den gleichen atypischen Anstieg an Oligodendrozyten-Vorläufern zeigten wie die mit CRISPR hergestellten Organoide. „Wir sind von einem genetischen Screening zur Rekrutierung von Patienten übergegangen, die tatsächlich diese Mutation haben, und ich bin sehr stolz, dass wir das bis zum Ende durchziehen konnten“, sagt Knoblich.
Die Replikation der ARID1B-Ergebnisse in Organoiden von Menschen sei ein erster Schritt zur Bestätigung, dass sich die Ergebnisse der Studie auf das menschliche Gehirn übertragen lassen, sagt Knoblich. Zukünftige Forschungen sollten weiterhin mehr Menschen mit einer Reihe anderer genetischer Mutationen im Zusammenhang mit Autismus untersuchen, fügt Vaccarinio hinzu.
Die 36 Gene, auf die sich Knoblichs Team konzentrierte, sind alle mit der Transkriptionsregulation verbunden und steuern, wie Zellen auf intra- und extrazelluläre Signale reagieren. Aber viele andere mit Autismus in Zusammenhang stehende Gene sind mit der Bildung und Aufrechterhaltung von Verbindungen zwischen Neuronen verbunden.
Der neue Ansatz könnte nicht nur diesen Gensatz angehen, sondern viele andere, sagt Knoblich. „Es ist eine sehr vielseitige Technologie. Wir könnten eine beliebige Liste von Genen in das System einfügen und sie für jedes Organoid verwenden.“