Die Eigenschaften einer Zellpopulation bestimmen die beobachteten unterschiedlichen Zell-Aktivitäten gleichartiger Zellen. Zu diesem Schluss kommt das Forscherteam von Lucas Pelkmans, Professor am Institut für Molekulare Systembiologie der ETH Zürich. Dabei gingen die Wissenschaftler der Ursache für das bekannte Phänomen der Heterogenität von Zellen auf den Grund. Denn was für Mechanismen dazu führen, dass gleichartige Zellen unterschiedlich aktiv sind, wurde bis anhin nicht hinterfragt.

Keine Zufallsverteilung

Die Forscher haben nun nach dreijähriger intensiver Entwicklungs- und Forschungsarbeit ein rechnergestütztes Verfahren entwickelt, mit dem sie die dahinterstehenden Prozesse, die für die Variabilität einzelner Zellen verantwortlich sind, in einer Zellkultur mit Millionen von Zellen erstmals beobachten und das Geheimnis lüften können. Bis anhin wurde die Zell-Variabilität als «Rauschen» bezeichnet, was eine statistische Zufallsverteilung impliziert. Die Ergebnisse der Studie zeigen nun aber, dass es sich nicht um eine zufällige Verteilung handelt, sondern dass bestimmte Ursachen zu vorhersagbaren Verteilungsmustern führen. Ihre Studie wurde nun in «Nature» publiziert und Pelkmans freut sich über die ersten Früchte des von der ETH Zürich mit 1,8 Millionen Franken unterstützten Forschungsprojekts.

«Für das Projekt erstellten wir eine automatisierte Vorrichtung – das RNAi Image-based Screening Center - mit der wir zellbiologische Experimente mit einem hohen Durchsatz durchführen konnten», erklärt Pelkmans. Die parallel dazu entwickelten rechnergestützten Methoden ermöglichen, die Phänotypen der Zellen automatisch zu quantifizieren und zu beschreiben. Die Daten, eingespeist in Modelle, sollten zeigen, wie individuelle Zell-Eigenschaften entstehen und sich gegenseitig beeinflussen.

Die Wissenschaftler legten bei ihrer Studie den Fokus auf die Eigenschaften von Zellen, die durch die Population der Zellkultur vorgegeben sind. Dazu gehören beispielsweise die Grösse der Population, die lokale Zelldichte, die Grösse einer individuellen Zelle, ob die Zelle am Rand der Zellkultur liegt und deshalb an einer Seite nicht von einer anderen Zelle begrenzt ist, ob die Zelle dabei ist, ihren Zellkern zu duplizieren (Mitose) oder ob sie den so genannten programmierten Zelltod erfährt.

Sammeln von grossen Datenmengen

Die Wissenschaftler untersuchten für jede Zelle deren Varietäten in der Endozytose-Aktivität, bei der diese durch Einstülpung der Biomembran Teile des umgebenden Mediums aufnimmt und entsorgt. Desweiteren schauten sie nach den variablen Mengen eines bestimmten Fettmoleküls (Sphingolipid) auf der Zelloberfläche, die eine wichtige Rolle bei der Signalübertragung und Aktivität der Zelle spielt. Mit drei verschiedenen Viren infizierten sie zudem die Zellkulturen und beobachteten den unterschiedlichen Infektionsverlauf.

«Wir erzeugten eine multivariable Analyse einzelner Zellen und erhielten eine sehr grosse Anzahl verschiedenster Messungen», erklärt Pelkmans. Mit der enormen Datenmenge gingen die Forscher anhand von Computermodellen der Frage nach, welche Variablen sich gegenseitig beeinflussen. Dadurch konnten sie eine Fülle von Regeln ermitteln – von den Wissenschaftlern als «Heterogenitäts-Signaturen» bezeichnet -, die in den Modellen beschreiben, wie populationsbedingte Eigenschaften einer Zellkultur die Zellaktivität beeinflussen.

Eigenschaften der Zellkulturen bestimmen Varietäten

Im nächsten Schritt testeten die Wissenschaftler, wie gut ihre Modelle die Aktivität der Zelle vorhersagen können. Es zeigte sich, dass dies mit einer hohen Genauigkeit möglich ist und dass die Variabilität eindeutig durch die Eigenschaften der Zellpopulation bestimmt wird. Da die Zellkulturen natürlicherweise voneinander verschieden sind, erklärt sich auch die grosse Variation in den Aktivitäten der Endozytose oder Virusinfektion der einzelnen Zellen der jeweiligen Zellkulturen. Beispielweise ist die Endozytose einheitlicher und kontrollierter, wenn die Zellkultur dicht bewachsen ist, oder bestimmte Durchfall erregende Viren können Zellen in einem weniger dicht besiedelten Zellbereich besser infizieren.

Der Befund ist für die Forschung mit vergleichenden Zellkulturen von besonderer Bedeutung: «Dies ist eine der wichtigsten Methoden, die den Zellbiologen zugleich grosse Probleme bereitet», sagt Pelkmans. Die Studie zeige, dass die Aktivitäten zweier Zellkulturen viel besser verglichen werden können, wenn dabei die von den Forschern entwickelten Modelle zur Vorhersage der Aktivität der jeweiligen Zellkultur als Referenz genutzt werden und der Einfluss der Eigenschaften der Zellpopulation mit mindestens zehntausenden von Zellen berücksichtigt wird. Dies ist ein wichtiger Aspekt, beispielsweise für die Pharmaindustrie. Denn wie die Studie zeigt, wird durch äussere Einwirkungen nicht direkt die Zelle beeinflusst, sondern die Population, die dann zu einem veränderten Aktivitätsverhalten einzelner Zellen führt.

Literaturhinweis:

Snijder B, Sacher R, Rämö P, Damm E-M, Liberali P & Pelkmans L: Population context determines cell-to-cell variability in endocytosis and virus infection, Nature advance online publication 26 August 2009, doi:10.1038/nature08282