SPARCS: Neue Methode verknüpft Morphologie und Genom

Mit „SPARCS“ steht eine neue Methode zur Verfügung, die den Phänotyp einer Zelle mit seinen genetischen Ursachen verknüpft. Die Technik ermöglicht es, Millionen von Zellen systematisch zu untersuchen und eröffnet neue Einblicke in grundlegende Zellprozesse und die angeborene Immunantwort.

Forschende von Helmholtz Munich haben gemeinsam mit Partnern der LMU München und des Max-Planck-Instituts für Biochemie, die die Studie federführend betreuten, eine neue Technik zur Analyse des Genoms entwickelt. Mit der „SPARCS“ genannten Methode lassen sich komplexe Veränderungen in der Morphologie von Zellen ihren zugrunde liegenden genetischen Ursachen zuordnen. Die Studie wurde kürzlich im Fachjournal „Cell“ veröffentlicht.

Millionen Zellen systematisch analysieren

Genetische Screens sind ein wichtiges Instrument, um die biologischen Funktionen von Genen zu entschlüsseln. Während genomweite CRISPR Screens Gene, die vergleichsweise simple zelluläre Eigenschaften regulieren, effizient identifizieren können, ist die Untersuchung komplexerer phänotypischer Merkmale bislang eine Herausforderung. Bestehende Ansätze erfordern häufig einen Kompromiss zwischen dem Umfang eines Screens und der Komplexität biologischer Information, die erfasst werden kann.

Die neue Methode SPARCS – kurz für SPAtially Resolved CRISPR Screening – kombiniert Mikroskopie, CRISPR-basierte genetische Screens, maschinelles Lernen und automatisierte Lasermikrodissektion. Dadurch können Forschende große Populationen genetisch veränderter Zellen nach komplexen phänotypischen Merkmalen durchsuchen und anschließend ausgewählte Zellen mit besonders interessanten Eigenschaften für weitere Analysen gezielt isolieren.

In insgesamt zwei genomweiten Screens analysierte das Forschungsteam rund 70 Millionen Zellen. SPARCS identifizierte nahezu alle bekannten Gene, die an der Makroautophagie beteiligt sind, einem zentralen Recyclingprozess der Zelle. Darüber hinaus entdeckten die Forschenden einen bislang nicht beschriebenen Autophagie-Phänotyp im Zusammenhang mit dem Gen EI24.

Neue Einblicke in die angeborene Immunantwort

Die Forschenden nutzten SPARCS außerdem, um die Regulation des Immunsensors STING genauer zu untersuchen. Dabei zeigte sich, dass der pH-Wert im Golgi-Apparat eine wichtige Rolle für den Transport und die Aktivierung von STING spielt. Die Gene GPR89A und GPR89B, die für das Protein GPHR kodieren, tragen dazu bei, das saure Milieu im Golgi-Apparat aufrechtzuerhalten. Wird dieses Gleichgewicht gestört, ist auch die Aktivierung von STING beeinträchtigt. Die Ergebnisse legen damit einen bislang unbekannten Regulationsmechanismus der STING-Signalübertragung nahe.

Bildgebung und molekulare Analyse verbinden

Da SPARCS ausgewählte Zellen physisch isoliert, lässt sich die Methode auch mit weiterführenden molekularen Analysen kombinieren. In der Studie kombinierten die Forschenden SPARCS mit massenspektrometriebasierter Proteomik und konnten so bildbasierte zelluläre Merkmale mit Veränderungen auf Proteinebene verknüpfen. Die Kombination aus Bildgebung, genetischem Screening und molekularer Analyse eröffnet damit neue Möglichkeiten, die genetischen und molekularen Mechanismen komplexer zellulärer Phänotypen systematisch zu untersuchen.