22.06.2020 - Max-Planck-Institut für evolutionäre Anthropologie

Neandertalergene in der Petrischale

Forscher untersuchen die Effekte der Neandertaler-DNA in heutigen Menschen mit Hilfe von Stammzellen und Organoiden

Protokolle zur Umwandlung von pluripotenten Stammzellen (iPSC) in Organoide, Mini-Organe, ermöglichen es Forschern Entwicklungsprozesse in verschiedenen Organen zu untersuchen und den Zusammenhang zwischen Genen und der Herausbildung von Gewebe zu entschlüsseln – insbesondere bei Organen, bei denen kein Primärgewebe zur Verfügung steht. Forscher vom Max-Planck-Institut für evolutionäre Anthropologie in Leipzig und der Universität Basel nutzen diese Technologie um die Effekte der Neandertaler-DNA in heutigen Menschen zu untersuchen.

„Die Verwendung von iPSC-Linien zur Untersuchung der Funktionen archaischer DNA in heutigen Menschen ist ein größtenteils noch unerschlossener, aber sehr interessanter Ansatz“, sagt Letztautor J. Gray Camp vom Max-Planck-Institut für evolutionäre Anthropologie in Leipzig und der Universität Basel in der Schweiz. „Niemand war bisher in der Lage, die Rolle der Neandertaler-DNA während der Entwicklung zu untersuchen.“

Etwa zwei Prozent der Genome moderner Menschen, die außerhalb Afrikas leben, bestehen aus Neandertaler-DNA. Diese archaische DNA ist ein Ergebnis der Vermischung beider Gruppen vor zehntausenden von Jahren.

In der neuen Studie nutzte das Team Ressourcen der Human Induced Pluripotent Stem Cells Initiative (HipSci), einem internationalen Konsortium, das Daten und Zelllinien für die Forschung bereitstellt. Nahezu alle Daten und Zelllinien in HipSci stammen von Menschen britischer und nordeuropäischer Abstammung. Die Forscher analysierten diese Zelllinien auf ihren Gehalt an Neandertaler-DNA und annotierten funktionelle Neandertaler-Varianten für jede der Zelllinien.

„Einige Neandertaler-Allele kommen in dieser Population relativ häufig vor“, erklärt Camp. „Daher enthält diese iPSC-Ressource bestimmte Gene, die homozygot für Neandertaler-Allele sind, darunter Gene, die mit Haut- und Haarfarbe assoziiert sind und bei Europäern sehr häufig vorkommen.“

Camps Team wandelte vier Zelllinien in zerebrale Organoide um, Mini-Versionen von menschlichen Gehirnen in ihren frühen Entwicklungsstadien, und sequenzierte einzelne Zellen dieser Organoide um ihre Zusammensetzung zu untersuchen. Sie zeigten, dass die transkriptomischen Daten verwendet werden konnten, um die vom Neandertaler stammende RNA über Entwicklungsprozesse hinweg zu verfolgen. „Diese Studie liefert den Nachweis dafür, dass man mithilfe dieser Ressourcen die Aktivität der Neandertaler-DNA in einem Entwicklungsprozess untersuchen kann“, sagt Camp. „Die wirkliche Herausforderung wird darin bestehen, die Anzahl der Linien pro Experiment zu erhöhen, aber das wird bereits jetzt möglich."

Camp merkt an, dass diese Forschung auf die Untersuchung anderer alter menschlicher Populationen, einschließlich der Denisovaner, ausgedehnt werden könnte, deren Gene heute hauptsächlich in ozeanischen Populationen vorkommen. Sein Team plant auch, die Untersuchung von Neandertaler-Allelen mit Hilfe von HipSci und anderen Ressourcen fortzusetzen. „Anhand von Organoiden können eine Reihe verschiedener Entwicklungsprozesse und Phänotypen untersucht werden, die von der Neandertaler-DNA kontrolliert werden, darunter Darmtrakt und Verdauung, Kognition und neuronale Funktion sowie die Immunantwort auf Krankheitserreger“, so Camp.

Im Neandertal Stem Cell Resource Browser machen die Forscher ihre Daten der Wissenschaftsgemeinschaft für die zukünftige Forschung zugänglich.

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