Tokio (LabNews Media LLC) – Ein Forschungsteam der Universität Tokio hat Säugetierzellen erzeugt, die nahezu das gesamte Genom einer Alge enthalten und dieses über mehr als 150 Zellteilungsgenerationen stabil weitergeben. Wie die Universität mitteilte, verbinden sich Algen-DNA und Säugetierchromosomen zu sogenannten „Planimal“-Zellen. Die Ergebnisse wurden in „Nature Communications“ veröffentlicht.
Der größte Teil der DNA von Organismen wird von den Eltern vererbt (vertikale Vererbung). Organismen können DNA aber auch über Artengrenzen hinweg aufnehmen, etwa durch horizontalen Gentransfer. Bei Eukaryoten ist eine genomweite Übertragung zwischen entfernt verwandten Arten bislang selten dokumentiert. Vor mehr als 1,5 Milliarden Jahren nahm eine eukaryotische Vorläuferzelle ein Cyanobakterium auf, aus dem sich die Chloroplasten heutiger Algen und Pflanzen entwickelten; viele Gene des Bakteriums wurden damals in das Kerngenom der Wirtszelle übertragen.
Das Team um Sachihiro Matsunaga vom Labor für Integrierte Biologie untersuchte, ob ganze Chromosomen die evolutionäre Kluft zwischen Algen und Tieren überbrücken können und ob tierische Zellen fremdes genetisches Material stabil speichern und weitergeben. Dazu fusionierte es photosynthetische Algenzellen mit aus Hamstern stammenden Säugetierzellen oder ließ die Säugetierzellen die Algen aufnehmen. Die Zellfusion erwies sich als deutlich effizienter für die Bildung stabiler Hybridzellen als die Aufnahme.
Mithilfe von Lebendzellmikroskopie und Genomsequenzierung charakterisierte das Team, wie der Wirt die Algen-DNA über mehrere Generationen veränderte. In einer Hamster-Zelllinie blieben etwa 16,3 Millionen Basenpaare der Algen-DNA erhalten, darunter intakte Chromosomen und Sequenzen aller 20 Algenchromosomen. Die Algen-DNA blieb über 155 Zellgenerationen nachweisbar; erhebliche Anteile blieben sogar 95 Generationen lang ohne Antibiotika-Selektion erhalten.
„Pflanzen und Tiere können sich nicht untereinander fortpflanzen, daher werden ihre Chromosomen durch Paarung nie kombiniert. Dennoch ist es uns gelungen, Hybridchromosomen zu erzeugen, die genetisches Material sowohl einer Alge als auch eines Säugetiers enthalten, und wir konnten zeigen, dass dieses genetische Material durch wiederholte Zellteilungen stabil an Tochterzellen weitergegeben werden kann“, sagte Matsunaga. Bemerkenswerterweise behielten die Pflanzen-Tier-Zellen über viele Generationen hinweg nahezu das gesamte Algengenom. Das beweise, dass selbst die gewaltige evolutionäre Kluft zwischen Pflanzen und Tieren auf Chromosomenebene ohne Fortpflanzung überbrückt werden könne.
Die meisten übertragenen Algengene waren inaktiv, die fremde DNA wies DNA-Methylierung und repressive Histonmarkierungen auf. Als das Team das Experiment mit Hamsterzellen wiederholte, denen das Enzym DNMT3A fehlte, bildeten sich weniger stabile Hybridkolonien und die Zellen enthielten weniger Algen-DNA. Das deute darauf hin, dass epigenetische Mechanismen Säugetierzellen helfen, große Mengen fremder DNA aufzunehmen und die meisten importierten Gene inaktiv zu halten. Da etwa 96 Prozent der übertragenen proteinkodierenden Algengene keine nachweisbare Expression zeigten, will das Team nun herausfinden, wie ausgewählte Algengene gezielt aktiviert werden können. „Stellen Sie sich tierische Zellen vor, die über lange Zeiträume Photosynthese betreiben und dabei Sauerstoff produzieren und Kohlendioxid zur Herstellung nützlicher organischer Verbindungen nutzen können“, sagte Matsunaga. Die aktuelle Studie erzeugte noch keine photosynthetischen Tierzellen; dies bleibe ein langfristiges Ziel. Gefördert wurde die Arbeit unter anderem von JST und KAKENHI.
