Untersuchung, wie der Totipotenz-Pionierfaktor Nr5a2 das Genom in Zygoten aktiviert

Die Befruchtung einer Eizelle durch Spermien ist der Beginn eines neuen Lebens. Die mütterlichen und väterlichen Erbinformationen, die gemeinsam den Körperbauplan des Lebewesens speichern, werden nach der Befruchtung kombiniert.

Allerdings befindet sich die DNA in diesem frühen Lebensstadium noch in einem inaktiven Zustand im Zellkern. Während die erste Teilung der befruchteten Eizelle mit Hilfe von in der Eizelle gespeicherten mütterlichen Faktoren funktioniert, ist für die weitere Entwicklung eines Embryos die Synthese neuer embryonaler Produkte notwendig, die den Zugang zur DNA des Embryos erfordert. Wie gezeigt in Wissenschafthaben Kikuë Tachibana und ihr Team am MPI für Biochemie nun gezeigt, dass der Pionierfaktor Nr5a2 die embryonale DNA erweckt.

Der Beginn des Lebens ist ein faszinierender Vorgang in der Biologie. Die weibliche Eizelle wird durch Verschmelzung mit der männlichen Samenzelle befruchtet. Aus dieser ersten Zelle eines Embryos kann sich der gesamte Organismus entwickeln. Welche molekularen Prozesse laufen auf der DNA einer befruchteten Eizelle ab, damit diese Zelle das Potenzial hat, einen neuen Organismus zu erzeugen? Kikuë Tachibana, Direktorin am MPIB und Leiterin der Forschungsabteilung „Totipotenz“, geht dieser Frage gemeinsam mit ihrem Forschungsteam am Mausmodell nach.

Es ist bekannt, dass sogenannte Pionierfaktoren an bestimmte Bereiche inaktiver DNA binden, um diese zu aktivieren. Welche Faktoren das bei befruchteten Eizellen sind, war Gegenstand der aktuellen Studie.

Für diese Forschung war eine multidisziplinäre Anstrengung der vier Erstautoren und ihrer komplementären Expertise erforderlich. „Das Kernteam dieser Arbeit besteht aus Experten für Embryologie, Biochemie, Bioinformatik, Mikroskopie und Genomik. Gemeinsam konnten wir Hinweise im Genom sehen, den Transkriptionsfaktor Nr5a2 entdecken und den Mechanismus innerhalb und außerhalb von Zellen untersuchen“, sagt Tachibana .

Von DNA zu Proteinen

Die Grundbausteine ​​der DNA – Adenosin, Thymin, Guanin und Cytosin – kodieren wie in einer Bibliothek für die Baupläne aller im Organismus vorkommenden Proteine. Durch einen Prozess namens Transkription werden bestimmte DNA-Regionen, auch Gene genannt, abgelesen und in Messenger-RNA (mRNA) transkribiert. Anschließend werden Proteine ​​auf Basis der mRNA-Anweisung produziert. Zellstrukturen, Kanäle, Signalmoleküle oder molekulare Maschinen werden unter anderem nach diesen molekularen Botschaften aufgebaut.

Siwat Ruangroengkulrith, Molekularbiologin und Bioinformatikerin, erklärt: „Die Erbinformation ist nicht einfach im Zellkern frei zugänglich. Sie liegt in Form eines langen DNA-Fadens vor, der sich wie eine Perlenkette um kleine Verpackungsproteine, sogenannte Histone, wickelt . DNA und Histone sind so stark ineinander verdreht, dass der DNA-Faden bis zu 40.000-mal verkürzt ist. Deshalb können wir DNA unter dem Mikroskop als Chromosomen sehen, alles wegen dieser Verdichtung durch Histone.“

Pionierfaktor Nr5a2

Pionierfaktoren haben die Fähigkeit, an dicht gepackte DNA zu binden. Sie gehören zur großen Familie der Transkriptionsfaktoren. Sie binden an bestimmte Sequenzmuster auf der DNA, um die Gensequenz zu transkribieren.

Imre Gáspár, Experte für Mikroskopie und Bioinformatik, erklärt: „Wir haben nach einem gemeinsamen Sequenzmuster für die in Embryonen produzierten mRNA-Moleküle im Frühstadium gesucht und mehrere Sequenzmotive gefunden.“

„Die entdeckten Motive liegen eng beieinander und bilden ein sogenanntes Supermotiv. Das neu entdeckte Supermotiv ähnelt dem bekannten Sequenzmotiv SINE B1-Element und ist sehr eng verwandt mit dem hochkonservierten ALU-Element im menschlichen Genom. Auch diese Elemente sind bekannt als „springende Gene“, weil sie sich in bestimmten zellulären Stadien, etwa im frühen Embryo, von einer Position zu einer anderen Position im Genom bewegen können.“

Nr5a2 bindet an dieses Supermotiv. Johanna Gassler, Embryologin, sagt: „Ursprünglich wurde Nr5a2 in der Leber entdeckt. In der Entwicklungsbiologie war bekannt, dass Nr5a2 im späten Stadium der Embryonenimplantation wichtig ist. Wie wichtig Nr5a2 direkt nach der Befruchtung ist, war noch nicht bekannt. “

„In unseren Experimenten konnten wir zeigen, dass ein Großteil der mRNA-Moleküle des frühen Embryos nicht mehr produziert wird, wenn Nr5a2 blockiert ist. Außerdem werden die Embryonen in ihrer weiteren Entwicklung gehemmt. Dies zeigt, dass Nr5a2 im frühesten Stadium eine zentrale Rolle spielt der Embryonalentwicklung.“

Mit neuesten biochemischen und genomischen Methoden haben die Forscher getestet, wie Nr5a2 während der frühen Entwicklung funktioniert. Wataru Kobayashi, Biochemiker, erklärt: „Wir haben experimentell gezeigt, dass Nr5a2 inaktive DNA-Regionen öffnen kann, wodurch mehr DNA-Bereiche für nachfolgende Transkriptionsprozesse zugänglich gemacht werden.“ So wird das Genom im Zweizellstadium aktiviert und es kann sich ein Embryo und schließlich ein voll lebensfähiger Organismus entwickeln.

Tachibana sagt: „Die Entdeckung, dass Nr5a2 ein Schlüsselfaktor ist, der das Erwachen des Genoms antreibt, ist ein wichtiger Schritt hin zu einem mechanistischen Verständnis des Beginns des Lebens. Es ist ebenso klar, dass es noch andere beitragende Faktoren geben muss, die noch identifiziert werden müssen. Bisher , liefert unsere Arbeit einen konzeptionellen Rahmen ‚ex uno plura‘ (lat. viele von einem), der erklären kann, wie die transkriptionelle Aktivierung in frühen Embryonen robust erfolgt, um die Entwicklung zu einem ganzen Organismus sicherzustellen.“