Ulrich Elling Lebenslauf

Ulrich Elling Lebenslauf Am Institut für Molekulare Biotechnologie der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (IMBA) ist Ulrich Elling Forschungsgruppenleiter und konzentriert sich auf die Erforschung embryonaler Stammzellen (ES) und induzierter pluripotenter Stammzellen (iPS). Kürzlich stellte er in Nature Methods eine neue CRISPR/Cas-basierte Screening-Methode vor, die „das Screening auf eine neue Ebene hebt“, wie der Forscher es ausdrückt.

CRISPR/Cas9-basiertes DNA-Editing wird mittlerweile unter anderem dazu verwendet, die Funktion von Genen mit großen genetischen Screens zu untersuchen. Ein Schwachpunkt von Screens war in der Vergangenheit die Heterogenität der Zellpopulationen, die dazu führte, dass sich einzelne Mutanten wie einzelne Exreißer in einem Batch verhielten und letztendlich das Experiment nicht bestanden.

Daher haben Elling und sein Team ein komplexes Barcode-System auf die im Bildschirm verwendeten Zellen mit einem “Unique Molecular Identifier (UMI)” angewendet. Ellings neue Methode ermöglicht es nun, Hunderte von unabhängigen Klonen, die aus einzelnen Zellen hervorgehen, separat zu identifizieren. CRISPR-UMI ist vernünftiger, robuster und reproduzierbarer als herkömmliche Ansätze.

Die neue Methode könnte in Zukunft nützlich sein, um stochastische Ereignisse in der Biologie zu untersuchen, etwa die Umprogrammierung von Zellen, die Differenzierung von Zellen oder die Bildung von Metastasen. Elena Kinz und Ulrich Elling wurden im Rahmen eines Open-Science-Projekts auf CRISPR/Cas zum neuen Ansatz der Genomeditierung interviewt.

Welche Informationen haben Sie bereits über Stammzell-Gene herausgefunden, Herr Elling, und in welchem ​​Zusammenhang sind diese Erkenntnisse relevant?

In meinem IMBA-Labor untersuchen wir verschiedene Aspekte der Stammzellbiologie. Besonders fasziniert mich ein unkonventioneller Ansatz, bei dem große Gen-Screens verwendet werden, um bisher unbekannte biologische Mechanismen aufzudecken. In seiner einfachsten Form ist ein Screen eine genetische Analyse der Auswirkungen vieler oder aller Gene auf einmal.

Als Ergebnis konnten wir Gene identifizieren, die für die Zellidentität entscheidend sind. Wenn dies ausgeschaltet ist, kann die Zelle leichter auf eine andere Zelle übertragen werden. Dies kann als Beispiel für die Erzeugung sogenannter induzierter pluripotenter Stammzellen aus differenzierten Zellen (iPS-Zellen) dienen.

Ein weiterer wichtiger Fund und Basis meines Labors war die Etablierung haploider Stammzellen. Diese Stammzellen stammen von Blastula, die aus gekneteten, unbefruchteten Eizellen gewachsen sind. Sie arbeiten mit haploiden embryonalen Maus-Stammzellen, um durch genomweite Screens schneller Informationen über zelluläre Funktionen wie Zelldifferenzierung und Genexpression zu erhalten. Warum ist diese künstlich angewandte Haploidie der Zellen förderlich?

Zunächst einmal war es überraschend, dass haploide Stammzellen generiert werden konnten, daher war das an und für sich schon bemerkenswert. Wir verwenden die Zellen hauptsächlich für genetische Screenings, wie Sie sagten. Gene sind in unserem diploiden Genom doppelt kodiert, nämlich auf den mitotischen und telomeren Chromosomen.

Will man die Rolle bestimmte Gene studieren, dann muss man beide Kopien (Allele) ausschalten. Dies ist eine schwierige technische Meisterleistung, die erst seit kurzer Zeit möglich ist. Da dagegen in haploiden Stammzellen nur eine Kopie jedes Chromosoms vorhanden ist, ist eine zufällige Mutation kein Problem – wir verwenden meist Insertionsmutagenese mit Viren oder Transposons.

Für welche konkreten Zwecke haben Sie und Ihr Team CRISPR-basierte Genom-Editing-Methoden eingesetzt und wie hat sich das auf Ihre Arbeit ausgewirkt?

Ein echter wissenschaftlicher Durchbruch ist unter anderem daran zu erkennen, dass er schnell von vielen Menschen erfasst wird. Die Technologie ist heute ein Standardbestandteil des technologischen Arsenals der meisten Labors. Unser Labor war aufgrund seiner Betonung auf Genanalysen für eine “Gen-Editing”-Anpassung prädisponiert. Zu Beginn haben wir einfach Gene mit CRISPR verändert oder ausgeschaltet, um schnell Mutationen zu erzeugen.

Gleichzeitig wurden auch unsere eigenen Bibliotheken mit sogenannten „Guide“-RNAs gestartet. Auf diese Weise können wir heute unter anderem genetische Screenings von Gengruppen, wie allen Proteinen, die sich in der Zellmembran befinden, durchführen. Wir entwickeln aber auch die CRISPR/Cas9-Technologie intern weiter, um sie widerstandsfähiger und nützlicher zu machen. Eine verzerrte Studie wurde gerade veröffentlicht, und eine weitere soll noch in diesem Jahr folgen.

Gene-Drive-Methoden können verwendet werden, um die Ausbreitung gewünschter Mutationen in Populationen zu fördern, unabhängig vom Entwicklungsstadium haploider Genome. Was halten Sie von dieser Technologie?

CRISPR/Cas9 hat das Potenzial, einen kleinen Aspekt zu ermöglichen, der als „Gene-Drive“ bekannt ist. Die normale Mendel-Evolution ist zunächst neutral, was bedeutet, dass, wenn 50 % der ältesten Allele einer Population von einer bestimmten Art sind, die nächste Generation genauso sein wird. Diese Begriffe sollten nicht mit dem Ausdruck „dominanter Phänotyp“ verwechselt werden, der sich auf jemanden bezieht, der entweder ein biologischer Elternteil oder eine Elternfigur sein könnte.

Es gibt jetzt das Konzept, Gene zu „bauen“, die dieser neutralen Mutation nicht mehr folgen, sondern sich stattdessen gemäß der Schneeball-Pr in Populationen ausbreiten prinzip. Die zugrunde liegende Prämisse ist, dass die Handlungen eines Verbündeten die Handlungen des anderen beeinflussen. Auf diese Weise wird ein heterozygoter Genotyp, der zwei verschiedene Allele umfasst, homozygot und stirbt bei 100 % seiner Nachkommen.

Dies erscheint bizarr und sollte gründlich getestet und überwacht werden, insbesondere wenn solche Allele “frei gehen” dürfen. Es hat enormes Potenzial, zum Beispiel hofft man, dass die Moskitos, die Malaria verbreiten, vernichtet würden. In Fällen wie Malaria müssen wir diese Methoden zumindest in Betracht ziehen.

CRISPR/Cas soll im Vergleich zu anderen Genom-Editing-Methoden sehr benutzerfreundlich sein. Halten Sie es für möglich, dass Menschen diese Methode auf unangemessene Weise anwenden? Gibt es einen bestimmten Bereich, in dem dies besonders beunruhigend wäre?

Wir sind uns zum Beispiel weitgehend einig, dass wir Krankheiten heilen wollen, die Medizin aber in vielen Fällen nur Symptome behandelt. Wenn wir Krankheiten von Grund auf heilen könnten, unter welchen Umständen wäre CRISPR/Cas9 eine akzeptable Methode? Ist es zulässig, dass sich diese Heilung über Generationen erstreckt? So sehr wir es vermeiden wollten, ist klar, dass es immer wichtiger wird.

Sie hatten jedoch nach dem angeblichen Missbrauch von CRISPR/Cas9 gefragt. Offensichtlich könnten bestimmte Szenarien gezeichnet werden, und ich schließe nicht aus, dass terroristische Gruppen daran denken würden, es zu verwenden. Aber ich kenne keine tatsächlichen Fälle von Missbrauch oder versuchtem Missbrauch, und mir fehlt sogar die Fantasie, wie CRISPR missbraucht werden könnte.

Um Klonarmeen und Co. brauchen wir uns keine Gedanken zu machen, da weder CRISPR noch irgendetwas anderes dazu führen wird. Sondern wegen des wahren Potenzials unserer Gesellschaft: der menschlichen Vielfalt. Off-Target-Effekte von CRISPR, die nichts verändern sollen, können einen enormen Einfluss auf das haploide Genom haben. Wie problematisch sind sie in Ihrer Arbeit und welche Möglichkeiten haben Sie, ihre Auswirkungen zu kontrollieren?

Off-Target-Effekte sind ein heißes Thema. In diesem Fall treten unbeabsichtigte Veränderungen des Genoms an einer anderen Stelle als ursprünglich beabsichtigt auf. Selbst im haploiden Genom, wo sich diese Effekte, wie Sie richtig beobachten, sehr stark auswirken, sehen Wissenschaftler nur ein sporadisches Problem. Experimentell kann man die Rolle dieser “Nebenwirkungen” durch unabhängige Experimente berücksichtigen, obwohl immer die Gefahr einer Fehlinterpretation besteht.

Im Allgemeinen sind durch CRISPR verursachte Off-Target-Mutationen nur einer von mehreren Faktoren, die zu den sehr niedrigen wissenschaftlichen Replikationsraten in vielen Bereichen beitragen. Wir haben versucht, einen Beitrag zu diesem Problem zu leisten, indem wir eine große Biobank verwenden, die mehr als 100.000 haploide Zelllinien enthält, von denen jede mutiert sein kann.

Nature” hat gerade diese Arbeit veröffentlicht. Es ist ein echtes Problem für medizinische Anwendungen, wenn Off-Target-Mutationen auftreten, und es ist zwingend erforderlich, dass sie mit größerer Sicherheit eliminiert werden. Es gibt widersprüchliche Berichte über das Ausmaß dieser Off-Target-Mutationen, aber hier ist das letzte Wort noch nicht gesprochen.