Eine neue Technik zur Enträtselung der Genregulation

Wie wird die Aktivität von Genen durch die Verpackung von DNA reguliert? Um diese Frage zu beantworten, wurde von Franka Rang und Kim de Luca, Forscher aus der Gruppe von Jop Kind (Gruppenleiter am Hubrecht-Institut und Oncode-Untersucher), eine Technik entwickelt, um sowohl die Genexpression als auch die DNA-Verpackung gleichzeitig zu messen. Diese Methode, EpiDamID, bestimmt den Ort modifizierter Proteine, um die die DNA gewickelt ist. Es ist wichtig, Informationen über diese Modifikationen zu sammeln, da sie die Zugänglichkeit der DNA und damit die Genaktivität beeinflussen. EpiDamID ist daher wertvoll für die Erforschung der frühen Entwicklung von Organismen. Die Ergebnisse der Studie sind in veröffentlicht Molekulare Zelle.

Damit die DNA in den Zellkern passt, wird sie dicht um Kernproteine ​​gepackt, die Histone genannt werden. Je nach Enge dieser Wicklung kann die DNA für andere Proteine ​​(un)zugänglich sein. Dies bestimmt daher, ob der Prozess der Genexpression, der Übersetzung von DNA in RNA und schließlich in Proteine ​​stattfinden kann.

Die DNA-Verpackung bestimmt die Genaktivität

Die Enge der DNA-Windung um Histone wird durch das Hinzufügen von Molekülgruppen, sogenannten posttranslationalen Modifikationen (PTMs), zu den Histonen reguliert. Werden den Histonen beispielsweise bestimmte Moleküle hinzugefügt, wird die DNA-Wicklung gelockert. Dadurch wird die DNA für bestimmte Proteine ​​zugänglicher und bewirkt, dass die Gene in diesem Teil der DNA aktiv bzw. exprimiert werden. Darüber hinaus können Proteine, die für die Genexpression entscheidend sind, die PTMs direkt erkennen und binden. Dies ermöglicht die Transkription: den Vorgang des Kopierens von DNA.

Die Regulation der Genexpression, beispielsweise durch PTMs, wird auch als epigenetische Regulation bezeichnet. Da alle Zellen in einem Körper die gleiche DNA haben, ist eine Regulierung der Genexpression erforderlich, um bestimmte Funktionen in einzelnen Zellen (de)aktivieren zu können. Beispielsweise haben Herzmuskelzellen andere Funktionen als Hautzellen und benötigen daher andere Gene, um exprimiert zu werden.

Analyse einzelner Zellen mit EpiDamID

Um zu verstehen, wie PTMs die Genexpression beeinflussen, entwickelten die Erstautoren Franka Rang und Kim de Luca eine neue Methode, um den Ort der Modifikationen zu bestimmen. Mit diesem Ansatz namens EpiDamID können Forscher einzelne Zellen analysieren, während bisherige Methoden nur eine große Gruppe von Zellen messen konnten. Die Analyse in einem so kleinen Maßstab führt zu Erkenntnissen darüber, wie sich die DNA-Wicklung pro Zelle unterscheidet, und nicht zu Informationen über die durchschnittliche DNA-Wicklung vieler Zellen.

EpiDamID basiert auf DamID, einer Technik, die verwendet wird, um den Bindungsort bestimmter DNA-bindender Proteine ​​zu bestimmen. Mit EpiDamID kann der Bindungsort spezifischer PTMs an Histonproteinen in einzelnen Zellen nachgewiesen werden. Ein großer Vorteil dieser Technik im Vergleich zu anderen ist, dass die Forscher nur sehr wenig Material benötigen. Darüber hinaus kann EpiDamID in Kombination mit anderen Methoden wie Mikroskopie verwendet werden, um die Regulation der Genexpression auf verschiedenen Ebenen zu untersuchen.

Zukunftsaussichten

Nach der Entwicklung dieser Technik wird sich die Kind-Gruppe auf die Rolle von PTMs aus entwicklungsbiologischer Sicht konzentrieren. Da einzelne Zellen mit EpiDamID analysiert werden, wird nur eine begrenzte Menge an Material benötigt, um genügend Daten zu generieren. Damit können Forscher die frühe Entwicklung von Organismen ab den ersten Zellteilungen untersuchen, wenn der Embryo nur aus wenigen Zellen besteht.