Das neue Papier ist das Ergebnis gewaltiger Computeranalysen, an denen Forscher in Deutschland, Spanien und dem Vereinigten Königreich beteiligt waren, um die Rolle alter Retroviren in der frühen Embryonalentwicklung besser zu verstehen – wie sie schaden und wie sie helfen. Es entstand aus der Arbeit, die Singh als Doktorand am Max-Delbrück-Centrum in Berlin geleistet hatte, als er Datensätze aus elf Studien sammelte, um einzelne embryonale Stammzellen von der Befruchtung bis zur Implantation sorgfältig zu verfolgen.
Er führte eine Analyse durch, bei der Zellen anhand der Ähnlichkeit ihrer Genexpression gruppiert wurden. Die meisten wurden nach genetischen Markern gruppiert, die ihr Schicksal im wachsenden Embryo bestimmen – zum Beispiel, ob sie Teil des Ektoderms werden, dem Vorläufer von Haut- und Gehirnzellen, oder des Endoderms, das sich zu Atmungs- und Verdauungsgewebe entwickelt.
Aber ein Cluster schien für keinerlei Zukunft gerüstet zu sein. Stattdessen wiesen sie Anzeichen von DNA-Schäden und Vorläufern der Apoptose auf, einem kontrollierten Mechanismus, den der Körper nutzt, um gestresste oder beschädigte Zellen auszusortieren. Singh vermutete, dass dieser Schaden die Visitenkarte von LINE-1 war. Singhs Team nannte diese beschädigten Zellen „REjects“, eine Anspielung auf ihre Todesursache: RE für „Retroelemente“ wie LINE-1, „abgestoßen“ vom wachsenden Embryo.
Am fünften Tag des Embryos nach der Befruchtung, so stellte Singhs Team fest, existierten die selbstzerstörenden REjekte immer noch neben den gesunden Zellen, für deren Schutz sie sich selbst opfern würden. Aber die überlebenden Zellen exprimieren etwas, was die REjects nicht tun: HERVH. Obwohl er ein weiterer uralter Eindringling ist, eigentlich HERVH unterdrückt LINE-1 schützt die pluripotenten Zellen vor Schäden und stellt sicher, dass sie sich weiter teilen können. „Es ist eine Art romantische Beziehung“, sagt Singh. „Diese Retroviren waren eingedrungen, um das System zu töten, und jetzt arbeiten sie daran, das System vor anderen Retroviren zu schützen.“
Der fünf Tage alte Embryo ist von einer äußeren Zellschicht umgeben, die bald zur Plazenta wird. LINE-1 ist auch in diesen Zellen aktiv, aber im Gegensatz zu REjects sterben sie nicht ab. Singh vermutet, dass die Zellen der Plazenta nicht lange genug überleben, als dass DNA-Schäden von Bedeutung wären, da die Plazenta nur neun Monate und nicht ein ganzes Leben lang dort verbleibt.
Diese Erkenntnisse seien „bemerkenswert“, sagt Ware. Es ist jedoch schwierig, auf der Grundlage einer Laborstudie eindeutige Schlussfolgerungen über die Embryonalentwicklung im Mutterleib zu ziehen. Während sich die Expression von LINE-1 und HERVH gegenseitig auszuschließen schien – REjekte exprimierten LINE-1 und nicht HERVH und umgekehrt bei überlebenden Zellen – hatten diese Forscher keine Möglichkeit, direkte Beweise dafür zu finden, dass HERVH LINE-1 kontrolliert, sagt Cedric Feschotte, ein Molekularbiologe und Genetikprofessor an der Cornell University, der nicht an dieser Studie beteiligt war. Ware fügt hinzu, dass es auch unbekannt sei, ob REjekte lediglich Müll seien oder ob sie eine funktionelle, wenn auch kurze, Rolle im sich entwickelnden Embryo spielten.
Auch die Forschung an embryonalen Stammzellen ist schwierig, weil sie ethisch bedenklich ist. Viele Regionen erlauben dies nicht, und dort, wo dies der Fall ist, verlassen sich die Forscher auf übrig gebliebene Embryonen, die im Alter von etwa fünf Tagen eingefroren und von den Eltern nach einem erfolgreichen IVF-Zyklus gespendet werden. Da diese Embryonen außerhalb des Körpers der Eltern beobachtet werden, „können Forscher nicht ganz ausschließen, dass einige der Ergebnisse ein Artefakt der In-vitro-Kultur sind“, sagt Feschotte.
Mit der Einführung synthetischer Embryonen, dreidimensionaler Zellkügelchen, die aus Stammzellen statt aus Spermien und Eizellen gewonnen werden, glaubt Feschotte, dass Wissenschaftler möglicherweise in der Lage sein könnten, einige dieser offenen Fragen zu beantworten.
Singh sagt, dass die Fähigkeit, pluripotente Zellen aus REject-Zellen im frühen Embryo herauszusuchen, für Forscher, die sich mit regenerativer Medizin befassen, unverzichtbar sein wird, da sie in der Lage sein müssen, verschiedene Arten von Körpergewebe zu züchten, um Labormodelle für Krankheiten zu erstellen. Die Identifizierung möglicher Ursachen embryonaler Zellschäden erweitert auch unser Verständnis der frühen Schwangerschaft. Vielleicht könnte die Überwachung der LINE-1-Expression in Embryonen, die in Fruchtbarkeitskliniken heranwachsen, eines Tages, so Feschotte, dazu beitragen, sehr frühe Verluste im Implantationsstadium zu erklären.
Vor allem aber verdeutlichen diese Erkenntnisse, dass das Genom nicht nur eine Gebrauchsanweisung, sondern ein ganzes Ökosystem ist. „Es gibt Wechselwirkungen zwischen Beute und Räubern“, sagt Feschotte. „All diese wirklich komplizierten biologischen Interaktionen finden alle im Genom statt.“