Vom Organ zum Gewebe bis zur Zelle: Forscherkonsortium produziert Zellatlas des Menschen

Nach dem Erbgut kartieren Forschende nun sämtliche Zellen des Menschen. Für diesen Zellatlas haben nun drei Teams in einem großen Schritt insgesamt mehr als 500 Zelltypen über 33 Gewebe hinweg analysiert und in groben Karten zusammengefasst. Die Teams präsentieren die Arbeit im Journal „Science“. Ein weiteres Team analysierte Zellen von Embryonen.

Mit dem Zellatlas des Menschen lasse sich etwa sehen, in welchen Geweben es Angriffsstellen für Corona- oder Grippeviren gebe, sagt eine Studienleiterin, Sarah Teichmann vom britischen Wellcome Sanger Institute. Sie ist Mitgründerin des 2016 gestarteten Projekts Human Cell Atlas (HCA), an dem weltweit über 2000 Forscher beteiligt sind.

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Organübergreifende Sicht auf Zellbiologie

„Der Atlas sagt uns, welche Zellen für welche Viren eine Tür offen haben“, sagt Teichmann. Dass in der Nase Rezeptoren für Sars-Cov-2 sind, habe ihr Team schon im März 2020 publiziert und damit belegt, wie wichtig Masken seien. Zudem haben die Forschenden nachgewiesen, dass Coronaviren auch in bestimmte Schleimhautzellen im Mund eindringen und somit beim Sprechen ausgeworfen werden. „Der Zellatlas ist wie ein Guidebook, das zeigt, an welcher Stelle welcher Rezeptor sitzt.“ Das sei auch für die Entwicklung von Medikamenten bedeutend.

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Die Arbeit am Zellatlas laufe schon seit Jahren, doch bislang seien vor allem einzelne Zellen, Gewebe oder Organe katalogisiert worden, erklärt Teichmann, die auch Forschungsdirektorin an der britischen Universität Cambridge ist. Mit den in „Science“ vorgestellten Zellkarten lasse sich organübergreifend zeigen, wie Zellen zusammenarbeiten.

Referenzwerk für alle Zellen

„Im Immunsystem haben wir nun gelernt, welche T-Zellen in welchen Geweben vorhanden sind und so eine Art GPS geschaffen“, so Teichmann. T-Zellen bilden etwa in der Milz andere Rezeptoren aus als in anderen Organen. Zudem hätten sich die Analysetechniken sehr verbessert. „Wir sind an dem Punkt, wo die Technologien sehr robust, schnell und erschwinglich sind.“

Wichtig sei das nicht nur zum Auffinden von Rezeptoren. Das im Atlas gespeicherte gesunde Gewebe dient vor allem auch als Referenz bei Krankheiten. Man kann am Abgleich erkennen, was sich bei Erkrankten verändert hat.

So wie das Humangenom-Projekt eine Referenz für alle Gene liefere, sei der Zellatlas des Menschen eine Referenz für alle Zellen, sagte die zweite Gründerin des Projektes, Aviv Regev vom Broad Institute in Cambridge (US-Staat Massachusetts).

Alle Körperzellen eines Menschen haben dasselbe Genom, aber sie nutzen unterschiedliche Teile davon. „Es genügt nicht, die Gene für Krankheiten zu identifizieren, man muss auch wissen, wo sie aktiv sind“, sagt Regev. Mit dem Atlas, der Forschenden frei zur Verfügung steht, ließen sich auch Zellen identifizieren, die Krankheiten auslösen.

Ein weiteres Team von Teichmann hat in einem „Science“-Paper für den Zellatlas das Immunsystem von Embryonen untersucht und belegt, dass Immunzellen in vielen Organen entstehen, nicht nur in blutbildenden. „Die Zellen und Gewebe der menschlichen Entwicklungsstadien zu untersuchen hilft uns unter anderem, seltene Krankheiten zu verstehen, die oft bei Geburt auftreten, sowie den Ursprung von Kindertumoren, die oft in der Schwangerschaft entstehen“, erklärt Teichmann.

Kopfarbeit steht noch bevor

Vor den aktuellen Arbeiten hatten schon etwa 100 Einzelstudien, die Gewebe vieler Menschen analysiert hatten, zum Zellatlas beigetragen. So hatte ein Team um Roland Eils von der Berliner Charité bereits 2020 eine Karte der Bauchspeicheldrüse aufgestellt: alle Zellen darin genetisch untersucht, ihre genaue Lage bestimmt und die Verbindungen zwischen den einzelnen Zellen aufgeklärt.

„Wir wollten eine Ressource für alle Forschenden schaffen, die sich für die Bauchspeicheldrüse interessieren“, erklärte Eils damals. Norbert Hübner vom Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin in Berlin war federführend an einer ersten Skizze für das Herz beteiligt.

Für den Zellatlas analysieren die Forscher mRNA. Das sind Arbeitskopien des Erbguts, die als Anleitung für die Produktion von Proteinen in der Zelle nötig sind. Inzwischen kann man aber auch gefrorenes Gewebe allein mit Hilfe der Zellkerne untersuchen.

Noch ist der Zellatlas nicht komplett. „Eigentlich wollten wir innerhalb von fünf Jahren einen ersten Entwurf fertig haben“, sagte Teichmann. Aber da sei die Pandemie dazwischengekommen. Ein Ende sei offen.

„Wir wissen gar nicht, wie viele Zelltypen der Mensch hat“, gesteht Teichmann ein, jedenfalls seien es mehr als zuvor gedacht. „Der Körper hat über 50 Gewebe. Nun haben wir zusammengenommen einen groben Entwurf einer Karte mit 30 Geweben und 50 Millionen einzelnen Zellen“, sagte Teichmann. Das sei ein sehr guter Anfang. Allerdings fehle noch das Gehirn. Da seien erst kleine Teile kartiert, und es gebe beim Menschen rund 100 Hirnregionen.

Simone Humml - dpa