Was eine Zelle vor einigen Stunden oder Tagen getan hat, bleibt Forschenden meist verborgen. Sie können nur ihren aktuellen Zustand messen. Das ist ein Problem, wenn sie verstehen wollen, wie Immunreaktionen entstehen oder warum einzelne Krebszellen eine Therapie überleben.
Besonders aufschlussreich ist dabei, welche Gene in einer Zelle aktiv sind. Das gibt Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern essenzielle Einblicke in die Funktion von Zellen und des Körpers. Sie messen dazu die RNA-Moleküle. Dies sind Abschriften der aktiven Gene. Damit erfassen die Forschenden allerdings nur die Genaktivität zum Zeitpunkt der Messung. Zudem lässt sich jede Zelle nur einmal untersuchen: Bei der RNA-Bestimmung wird sie zerstört. Forschende am Departement Biosysteme der ETH Zürich in Basel haben nun eine Methode entwickelt, mit der sich RNA-Moleküle in Zellen archivieren lassen. Damit können sie erstmals nicht nur den aktuellen Zustand einer Zelle untersuchen, sondern auch rekonstruieren, welche Gene früher aktiv waren.
«Man sieht nicht mehr, dass die Reaktion überhaupt stattgefunden hat»
«Dieser Blick in die Vergangenheit ist unter anderem für Reaktionen einer Zelle interessant, die nur kurz dauern – und das sind viele: Immun- und Stressreaktionen sind nur einige Beispiele», erklärt Christopher Reinkemeier, Postdoc in der Gruppe von ETH-Professor Randall Platt. Bei solchen kurzandauernden Reaktionen schaltet ein äusserer Reiz bestimmte Gene an. Sobald der Reiz vorbei ist, fährt die Zelle diese Gene wieder herunter.
Im Rahmen einer Studie zeigten die Forschenden aus Basel, wie menschliche Zellen in Zellkultur auf einen Botenstoff des Immunsystems reagieren. «Wenn man mit der herkömmlichen Methode zu spät misst, sieht man nicht mehr, dass die Reaktion überhaupt stattgefunden hat», sagt Marcos Manero Carranza, Doktorand in Platts Gruppe und gemeinsam mit Reinkemeier Erstautor der Studie.
Wie das RNA-Archiv funktioniert
Für ihr zellinternes RNA-Archiv müssen die Forschenden RNA-Moleküle einfangen und sie vor ihrem natürlichen Abbau schützen. Denn RNA-Moleküle sind normalerweise nicht dafür gemacht, lange erhalten zu bleiben. Die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen nutzen hierfür unter anderem ein Protein, das natürlicherweise in sogenannten Stressgranula vorkommt. Das sind RNA-Ansammlungen, die sich in Zellen unter Stress bilden, etwa bei einer Infektion. In solchen Situationen fährt die Zelle Teile ihres Stoffwechsels vorübergehend herunter und bewahrt RNA-Moleküle für später auf.
Dieses Stressgranula-Protein und zwei weitere Proteine haben die Forschenden biotechnologisch optimiert. So schufen sie ein System, das die RNA-Moleküle einer Zelle in einem Film rund um die Mitochondrien der Zellen konzentriert und sie dort vor RNA-abbauenden Enzymen abschirmt, die in den Zellen natürlicherweise vorkommen. Die Forschenden bringen die Bauanleitungen der drei optimierten Proteine über sogenannte Plasmide in die Zellen. Die Zellen setzen das Archivierungssystem dann in ihrem Innern selbst zusammen. Es lassen sich damit pro Zelle mehrere Tausend RNA-Moleküle über mehrere Tage archivieren.
Erforschen, wie es zu Krebsrückfällen kommt
Die neue Methode könnte es nun ermöglichen, in Zellen seltene Ereignisse aufzuspüren. Besonders nützlich könnte es werden, wenn Forschende erst im Nachhinein erkennen, welche Zellen für sie interessant sind. Sie können diese Zellen auswählen und anschliessend mithilfe des RNA-Archivs untersuchen, welche Gene darin zuvor aktiv waren.
Die Forschenden haben die neue Technologie zum Patent angemeldet und wollen sie weiterentwickeln, sodass sie in Zukunft auch in Tieren und in der Krebsforschung verwendet werden kann. Ein möglicher Anwendungsbereich sind Tumorzellen, die eine Chemotherapie überleben. Solche Zellen können später zu einem Rückfall beitragen. Welche Zellen eine Behandlung überstehen werden und wie sie sich zuvor entwickelt haben, lässt sich heute nur schwer untersuchen.
«Welche Zellen sich zu solchen persistierenden Zellen entwickeln werden, ist nicht von vornherein bekannt und schlecht verstanden», sagt Reinkemeier. «Wenn wir unser System in der Krebsforschung einsetzen können, werden wir persistierende Zellen isolieren und in deren Vergangenheit blicken können. So können wir erforschen, wie sich diese Zellen bilden und entwickeln. Das könnte die Krebsforschung entschieden weiterbringen.»
ETH Zürich
Originalpublikation:
Reinkemeier, C.D., Manero-Carranza, M., Farouni, R. et al. Recordanelles for transcriptome-wide single-cell RNA recording in human cells. Nat Biotechnol (2026). doi.org/10.1038/s41587-026-03327-6
