Krankheiten wie Krebs und neurodegenerative Störungen beginnen oft mit genetischen Fehlern, aber dieses Wissen in wirksame Behandlungen umzusetzen, war bisher wie der Versuch, ein Auto zu reparieren, wenn man 300 verschiedene defekte Teile identifiziert hat, die alle unterschiedliche Dinge tun. Eine neue Studie, veröffentlicht in *Nature*, stellt eine potenzielle Lösung vor: eine Plattform namens PerturbFate, die systematisch verfolgen kann, wie krankheitsbedingte genetische Veränderungen Zellen verändern und identifizieren kann, wo diese Veränderungen letztendlich zusammenlaufen.

„Wir konzentrieren uns hier auf Krebsmedikamentenresistenz, aber das Papier beginnt eigentlich mit einer breiteren Frage: Wenn man weiß, dass eine Krankheit mit Hunderten von Genen assoziiert ist, wie entwickelt man eine einzige Therapie, um sie zu bekämpfen?“, sagt Junyue Cao, Leiter des Laboratory of Single-Cell Genomics and Population Dynamics. „Wir fragten uns, ob all diese verschiedenen Gene möglicherweise durch eine gemeinsame nachgeschaltete Signalgebung vermittelt werden, die wir entdecken und stattdessen angreifen können.“

Fortschritte in der genetischen Sequenzierung haben es Wissenschaftlern ermöglicht, eine große Anzahl krankheitsassoziierter Mutationen zu identifizieren, aber dieser Fortschritt brachte eine große neue Herausforderung mit sich: Die beteiligten Gene erfüllen oft sehr unterschiedliche Aufgaben in Zellen, einschließlich der Kontrolle der Genaktivität und der Steuerung von Zellsignalwegen. Aufgrund dieser Komplexität war es schwierig, Behandlungen zu entwickeln, die viele Mutationen gleichzeitig adressieren. Cao vermutete, dass diese scheinbar unzusammenhängenden Mutationen tatsächlich nicht unabhängig voneinander wirken – sie könnten in gemeinsame nachgeschaltete Programme münden, die letztendlich bestimmen, wie sich Zellen verhalten. Wenn das wahr wäre, müssten Wissenschaftler nicht jede Mutation separat angreifen; sie könnten sich auf gemeinsame regulatorische Knotenpunkte konzentrieren, die den Krankheitsprozess steuern.

Um das zu testen, benötigte das Team ein System, das in der Lage ist, viele genetische Störungen gleichzeitig zu vergleichen und dabei im Detail zu überwachen, wie jede einzelne eine Zelle umformt. Bestehende Technologien konnten nur einen Teil des Bildes erfassen, oft nur eine Ebene der zellulären Aktivität gleichzeitig messen oder übersehen, wie sich die Genaktivität dynamisch im Laufe der Zeit verändert. Der Doktorand Zihan Xu entwickelte PerturbFate, um diese Einschränkungen zu überwinden, und ermöglichte es Forschern, zu beobachten, wie verschiedene genetische Störungen Zellen in Echtzeit verändern, indem gleichzeitig die DNA-Zugänglichkeit und die RNA-Produktion verfolgt werden. Da diese Messungen innerhalb derselben einzelnen Zelle gesammelt werden, kann das System die Gen-Netzwerke aufdecken, die das Zellverhalten steuern, und identifizieren, wo unterschiedliche Mutationen die gleichen nachgeschalteten Effekte erzeugen.

Um die Plattform zu testen, wandten sich die Forscher dem Melanom zu, bei dem viele verschiedene Mutationen eine Resistenz gegen die Behandlung hervorrufen können. Das Team wählte 143 Gene aus, die zuvor mit Resistenz gegen das Melanom-Medikament Vemurafenib in Verbindung gebracht wurden, und deaktivierte sie systematisch in Melanomzellen. PerturbFate überwachte dann, wie jede Störung das Zellverhalten im Laufe der Zeit veränderte. Durch die Markierung neu produzierter RNA konnten die Forscher frische Genaktivität von älteren molekularen Signalen trennen. Einzelzell-Profiling ermöglichte es ihnen auch zu verfolgen, welche Gene aktiv waren, welche Regionen der DNA zugänglich wurden und wie sich diese Veränderungen entwickelten.

Nach der Untersuchung von mehr als 300.000 Zellen fanden die Forscher heraus, dass viele verschiedene Mutationen Melanomzellen konsequent in denselben medikamentenresistenten Zustand versetzten. Als das Team die gemeinsamen regulatorischen Kontrollpunkte angriff, die diesen Zustand antreiben, sank die Medikamentenresistenz signifikant, was auf eine vielversprechende Strategie für Kombinationstherapien hindeutet. Die Studie enthüllte auch ein wichtiges Detail bezüglich des Mediator-Komplexes, einer zellulären Struktur, die hilft, die Genaktivität zu regulieren. Die Forscher fanden heraus, dass die Störung verschiedener Teile dieses Komplexes Medikamentenresistenz durch völlig unterschiedliche biologische Wege auslösen konnte, aber diese Wege liefen dennoch auf dasselbe Melanom-Überlebenssignal namens VEGFC hinaus. Als die Forscher VEGFC blockierten, konnten die resistenten Melanomzellen nicht mehr wachsen.

„Wir erfassen nicht nur die Genexpression, sondern auch die RNA-Dynamik und den Chromatinzustand“, sagt Cao. „T