Analyse der Strukturgeheimnisse des inaktiven X-Chromosoms

Zellbiologen von RIKEN haben einen beispiellosen Einblick in die Besonderheiten eines ungewöhnlichen Chromosoms gewährt – der inaktivierten Kopie des X-Chromosoms, die jede weibliche Zelle trägt. Die Ergebnisse sind veröffentlicht im Tagebuch Struktur- und Molekularbiologie der Natur.

Nicht alle X-Chromosomen sind gleich. In jeder Zelle weiblicher Säugetiere ist eine der beiden Kopien des X-Chromosoms in eine inaktive Form verdichtet, die als inaktives X-Chromosom (Xi) bekannt ist. Es unterscheidet sich sowohl in der Struktur als auch in der Funktion von seinem aktiven Gegenstück und anderen Chromosomen.

Im Gegensatz zu den meisten Chromosomen, die sich während der stundenlangen „S-Phase“ der Zellteilung schrittweise replizieren, wird das Xi in der zweiten Hälfte dieser Phase kopiert. Forscher haben die Hypothese aufgestellt, dass dieses Replikationsverhalten eng mit der ungewöhnlichen Struktur des Xi zusammenhängt, das einheitlicher und kompakter ist als andere Chromosomen.

„Allerdings war dies noch ungewiss, als wir mit unserer Forschung begannen“, sagt Rawin Poonperm vom RIKEN Center for Biosystems Dynamics Research (BDR). „Wir dachten, dass eine detaillierte Analyse des Replikationszeitpunkts des Xi seinen Zweck aufdecken und neue Einblicke in seine 3D-Organisation liefern könnte.“

Um dieser Frage nachzugehen, verwendeten die Forscher zwei hochmoderne Analysemethoden, indem sie kultivierte embryonale Stammzellen von Mäusen differenzierten. Die erste, die von einer Gruppe unter der Leitung von Ichiro Hiratani (ebenfalls vom BDR) entwickelt wurde, bestimmte genau den Zeitpunkt, zu dem bestimmte chromosomale Sequenzen repliziert werden. Parallel dazu verwendeten sie eine zweite Technik, die die 3D-Struktur von Chromatin – der Kombination aus DNA und Protein, die Chromosomen bildet – aufdeckte und so Einblicke in die Genexpressionsaktivität bot.

Diese Kombination der beiden Techniken erwies sich als äußerst effektiv. „Unsere hochauflösende Replikationsanalyse ergab, dass das Xi innerhalb der zweiten Hälfte der S-Phase, während es sich während der Differenzierung bildete, schnell kopiert wird. Darüber hinaus zeigten unsere 3D-Strukturergebnisse, dass dynamische Änderungen im Replikationszeitpunkt des Xi eng mit Änderungen korrespondierten.“ in der Chromatinorganisation während der Differenzierung“, sagt Poonperm. Sie fügt hinzu, dass ihre Strukturanalyse des Xi auch einige Überraschungen offenbarte, darunter Unterschiede im Ausmaß der Verdichtung und Inaktivierung an verschiedenen Stellen im Chromosom.

Als die Forscher differenzierte Zellen analysierten, denen ein Gen namens SmcHD1 fehlte, das dabei hilft, das Xi inaktiv zu halten, beobachteten sie eine Reaktivierung normalerweise ruhender Gene am Rand des Chromosoms. Die meisten anderen Xi-Gene blieben jedoch inaktiv, was auf eine verborgene strukturelle Komplexität in diesem scheinbar einheitlichen Chromosom hindeutet.

Als nächstes plant Hiratanis Gruppe, den Prozess der Inaktivierung des X-Chromosoms selbst zu untersuchen. Dies wird wesentlich anspruchsvollere Experimente an echten Mäuseembryonen erfordern als an kultivierten embryonalen Stammzellen. Doch Poonperm sieht eine spannende Chance, die Rätsel zu lösen, die diesen Prozess seit Jahrzehnten umgeben. „Wir sind fest davon überzeugt, dass es noch weitere überraschende Entdeckungen zu machen gibt“, sagt sie.