Genome-engineered C. elegans strains with sex-transformed neurons and gut

In der Tierwelt ist der Unterschied zwischen männlich und weiblich oft in die sehr Zellen geschrieben, aus denen der Körper besteht. Bei vielen komplexen Tieren wird diese Unterscheidung durch Hormone gesteuert, die von den Fortpflanzungsorganen freigesetzt werden und über den Blutkreislauf zu entfernten Geweben reisen, um diesen vorzugeben, wie sie sich zu verhalten haben. Der winzige Rundwurm Caenorhabditis elegans verfolgt jedoch einen anderen Ansatz. In diesem Geschöpf entscheidet jede einzelne Zelle selbst über ihre geschlechtliche Identität basierend auf den Chromosomen, die sie trägt, und handelt unabhängig von ihren Nachbarn. Diese zellweise Entscheidungsfindung ermöglicht es Wissenschaftlern, eine faszinierende Frage zu stellen: Wenn man die geschlechtliche Identität einer ganz bestimmten Gruppe von Zellen, wie etwa der Nerven oder des Darms, ändern könnte, würde sich dann der Rest des Tieres anpassen, oder wäre dieses Gewebe einfach eine männliche oder weibliche Insel innerhalb eines Körpers des gegenteiligen Geschlechts?

Jahrzehntelang haben Forscher versucht, dies zu beantworten, indem sie genetische Werkzeuge einsetzten, um spezifische Zellen dazu zu zwingen, wie das gegenteilige Geschlecht zu agieren. Dies geschah durch das Einfügen zusätzlicher Kopien von Genen, die die Geschlechtsentwicklung steuern, in die DNA des Wurms. Obwohl diese Methode funktioniert hat, war sie unordentlich. Das zusätzliche genetische Material befand sich oft an instabilen Orten, konnte von der Zelle abgeschaltet werden oder schaltete sich versehentlich an den falschen Stellen ein, was es schwierig machte, genau zu wissen, was geschieht. Um dies zu lösen, hat ein Forschungsteam der Columbia University einen viel saubereren Weg entwickelt, um den genetischen Code des Wurms umzuschreiben. Anstatt instabile zusätzliche Kopien einzufügen, verwendeten sie ein präzises molekulares Editierungswerkzeug, um die Anweisungen zur Geschlechtsänderung direkt in die natürlichen Gene des Wurms einzufügen. Sie zielten auf zwei spezifische Orte ab: einen, der nur im Nervensystem aktiv ist, und einen anderen, der nur im Darm aktiv ist. Auf diese Weise schufen sie Würmer, bei denen das Gehirn oder der Darm auf einen männlichen oder weiblichen Identitätszustand umgeschaltet werden konnte, ohne den Rest des Körpers zu stören.

Die Forscher konzentrierten sich auf zwei Hauptschalter, die die Geschlechtsentwicklung im Wurm steuern. Ein Schalter namens TRA-1 fördert weibliche Merkmale, während ein anderer namens FEM-3 männliche Merkmale fördert. In einem normalen weiblichen Wurm ist der TRA-1-Schalter an und hält den Körper weiblich. In einem Männchen ist er ausgeschaltet. Das Team entwickelte vier neue Wurmstämme. In zwei Stämmen wurde das männliche fördernde Gen in den Darm und das Nervensystem weiblicher Würmer eingefügt, wodurch diese spezifischen Gewebe effektiv männlich wurden. In den anderen zwei Stämmen wurde das weiblich fördernde Gen in den Darm und das Nervensystem männlicher Würmer eingefügt, wodurch diese Gewebe weiblich wurden. Da diese Änderungen direkt in den natürlichen Bauplan des Wurms eingefügt wurden, waren die neuen Merkmale stabil und traten genau dort auf, wo die Forscher sie beabsichtigt hatten, ohne das Rauschen oder die Fehler früherer Methoden.

Als sie die Ergebnisse betrachteten, waren die Veränderungen bemerkenswert und präzise. In den weiblichen Würmern, in denen das Nervensystem auf männlich umgestellt wurde, verloren die Zellen im Gehirn ihre weiblichen Marker und nahmen männliche Eigenschaften an, während der Darm perfekt weiblich blieb. Ähnlich verhielt es sich, als der Darm eines weiblichen Wurms auf männlich umgestellt wurde: Nur die Darmzellen änderten sich, während das Nervensystem unberührt blieb. Das Gegenteil war auch bei den männlichen Würmern der Fall. Als ihr Nervensystem gezwungen wurde, weiblich zu werden, nahmen die Gehirnzellen weibliche Merkmale an, und als ihr Darm umgestellt wurde, wurde der Darm weiblich. Die Forscher bestätigten diese Veränderungen, indem sie beobachteten, wie spezifische Gene an- und ausgeschaltet wurden. Sie sahen, dass der weibliche Hauptschalter TRA-1 in den Geweben, die männlich gemacht worden waren, verschwand und in den Geweben, die weiblich gemacht worden waren, auftauchte, genau wie es die genetischen Anweisungen vorsahen.

Über die bloße Betrachtung von Genen hinaus prüfte das Team, ob diese internen Veränderungen das Verhalten der Würmer beeinflussten. Sie wussten, dass männliche Würmer normalerweise schneller bewegen und ihre Umgebung aggressiver erkunden als Weibchen. Als sie die Würmer mit männlichen Gehirnen, aber weiblichen Körpern testeten, bewegten sich diese Tiere mit der Geschwindigkeit und Kühnheit von Männchen. Umgekehrt, als sie die Würmer mit weiblichen Gehirnen aber männlichen Körpern testeten, verlangsamten sie sich und wurden vorsichtiger, wobei sie sich wie typische Weibchen verhielten. Dies bewies, dass die geschlechtliche Identität des Nervensystems der primäre Treiber dieser Bewegungsunterschiede ist. Die Veränderungen im Darm hatten ebenfalls eine klare Auswirkung. In weiblichen Würmern produziert der Darm ein nährstoffreiches Protein, das für die Eiproduktion benötigt wird. Als der Darm auf männlich umgestellt wurde, stoppte diese Produktion. Als der Darm eines männlichen Wurms auf weiblich umgestellt wurde, begann er, dieses Protein in großen Mengen zu produzieren, manchmal so viel, dass es in andere Teile des Körpers leckte.

Die Studie enthüllte auch eine subtile Komplexität darin, wie diese Gewebe miteinander kommunizieren. In den männlichen Würmern mit weiblichen Gehirnen bemerkten die Forscher, dass der weibliche Schalter wie erwartet im Gehirn auftauchte, aber auch im vorderen Teil des Darms erschien, obwohl der Darm selbst genetisch nicht verändert worden war. Dies deutet darauf hin, dass ein weibliches Gehirn ein Signal aussendet, das den Darm dazu bringt, seine weiblichen Schalter zu aktivieren, was auf einen nicht-zellautonomen Einfluss hindeutet, bei dem das Nervensystem die Identität anderer Gewebe steuern kann. Dieser Einfluss betraf jedoch nicht den Rest des Darms, was zeigt, dass die Beeinflussung begrenzt und spezifisch ist.

Diese neuen Wurmstämme bieten der wissenschaftlichen Gemeinschaft ein leistungsstarkes und zuverlässiges Werkzeug. Indem sie einen Weg bereitstellen, die Geschlechtsidentität spezifischer Gewebe ohne die Nebenwirkungen älterer Methoden zu ändern, ermöglichen sie es Forschern, genau zu untersuchen, wie die geschlechtliche Identität die Funktion des Gehirns und des Darms formt. Die Arbeit bestätigt, dass die geschlechtliche Identität nicht nur eine Eigenschaft des gesamten Tieres ist, sondern ein Merkmal, das in einzelnen Organen abgestimmt werden kann, und dass diese lokalen Veränderungen reale, messbare Konsequenzen für die Bewegung und Funktion des Tieres haben. Die Ergebnisse legen nahe, dass die geschlechtliche Identität des Nervensystems ein Schlüsselregler des Verhaltens ist, während die Identität des Darms die Fortpflanzungsphysiologie steuert, und dass diese Systeme unabhängig voneinander operieren können, sich jedoch dennoch auf spezifische Weise beeinflussen.