Team entdeckt Protein, das für die B-Zell-Differenzierung und Antikörper entscheidend ist

Ein Zellkern ist ein geschäftiger Ort. Zellproteine ​​verdrehen und ziehen die DNA und falten das Genom in komplizierte 3D-Strukturen, die die Funktion seiner kodierenden Teile unterstützen.

Diese Choreografie ist für die Zellentwicklung von wesentlicher Bedeutung, und die genauen Schritte variieren stark zwischen den Zelltypen. Die richtige Kommunikation zwischen Genen und weit entfernten Kontrollschaltern zur richtigen Zeit in der richtigen Zelle herzustellen, ist keine leichte Aufgabe. Tatsächlich verfügen nur sehr wenige Proteine ​​über die richtige Kombination von Merkmalen, um das Genom in den richtigen Strukturen zu organisieren.

In einem neuen Studie veröffentlicht in ZelleWissenschaftler am La Jolla Institute for Immunology (LJI) und am Massachusetts General Hospital der Harvard Medical School zeigen, wie ein Protein namens IKAROS dabei hilft, das Genom in die richtige Struktur zu „weben“, die für die B-Zell-Differenzierung und die Erzeugung eines lebensrettenden Repertoires erforderlich ist Antikörper.

„Ohne IKAROS kann man keine funktionierende B-Zelle herstellen“, sagt LJI-Assoziierter Professor Ferhat Ay, Ph.D., der die neue Studie mitleitete.

Ay ist Experte für Genomarchitektur. Er erforscht, wo sich Gene befinden – und wie bestimmte Teile des Genoms interagieren. Sein Labor entwickelt bioinformatische Werkzeuge zur Erstellung von 3D-Karten des Genoms, was ein wichtiger Schritt zum Verständnis der genetischen Grundlagen der Entwicklung von Immunzellen ist.

Für die neue Forschung arbeitete Ays Labor mit Katia Georgopoulos, Ph.D., vom Massachusetts General Hospital der Harvard Medical School zusammen, die Pionierarbeit bei früheren Studien leistete, die zeigten, dass IKAROS für die Entwicklung von Immunzellen von entscheidender Bedeutung ist.

„IKAROS wirkt an der Wurzel dieser Entwicklung und ermöglicht die Differenzierung der hämatopoetischen Stammzelle in einen vielfältigen Satz von Immunzellen, einschließlich B-Zellen“, sagt Georgopoulos. Diese früheren Studien zeigten, dass IKAROS-Funktionsverlustmutationen in Tiermodellen lymphatische Malignome verursachten und mit einer schlechten Prognose bei Kindern und jungen Erwachsenen mit B-Zell-Vorläufer-Leukämien verbunden waren.

Könnte IKAROS als früher entscheidender Organisator der 3D-Genomorganisation dienen, die für die ordnungsgemäße Entwicklung von B-Zellen erforderlich ist?

Die Labore von Ay und Georgopoulos haben sich zusammengetan, um diese Hypothese zu testen, indem sie IKAROS-Maus-Genmodelle, B-Zell-Differenzierungsansätze, Bioinformatik-Tools und 3D-Genomkarten nutzten, um große Fragen zur Entwicklung von Immunzellen zu beantworten.

Yeguang Hu, Ph.D., Dozent im Georgopoulos-Labor, führte technisch anspruchsvolle Experimente durch, um herauszufinden, welche Teile des Genoms sich berühren, mit und ohne IKAROS bei der Arbeit. Daniela Salgado-Figueroa, Doktorandin im Bereich Bioinformatik an der UC San Diego. Student im Ay Lab leitete die Analyse der Terabytes an komplexen Datensätzen, die generiert wurden.

Die Forscher fanden heraus, dass IKAROS ein großes Problem bei der B-Zell-Entwicklung löst. B-Zellen nutzen Rezeptoren mit zwei „Armen“, um Krankheitserreger zu erkennen. Diese Arme haben eine Region der „leichten Kette“ und eine Region der „schweren Kette“. Wenn eine B-Zelle einen Krankheitserreger erkennt, produziert sie Antikörper mit passenden Armen.

B-Zellen bauen relativ früh in der Entwicklung schwere Kettenregionen auf. Die Labore von Ay und Georgopoulos fanden heraus, dass der Zusammenbau der Leichtkettenregionen schwierig sein kann, da die Gene, die für die Entwicklung der Leichtkette kodieren, auf der DNA ziemlich weit voneinander entfernt liegen. „Diese gesamte Region muss in einer richtigen 3D-Anordnung neu angeordnet werden“, sagt Ay. „Etwas muss sie zusammenbringen.“

Glücklicherweise ist IKAROS vor Ort, um bei der Genomgymnastik zu helfen. Die beiden Labore fanden heraus, dass IKAROS an bestimmte Teile des Genoms bindet und die Bildung sehr nützlicher Schleifen steuert, indem es diese Stellen als Anker nutzt. Diese Schleife bringt weit entfernte Gene mit ihren Kontrollelementen zusammen und führt zur Aktivierung und Expression der Gene, die für die ordnungsgemäße Entwicklung der B-Zellen und die Neuordnung der leichten Kette erforderlich sind. Ebenso wichtig ist, dass diese Faltung des Genoms andere Kontrollelemente von Genen fernhält, die nicht in einer B-Zelle exprimiert werden sollten.

In einem Folgeexperiment führten die Forscher IKAROS in menschliche Hautzellen ein. Sie testeten, ob IKAROS das Genom in einem Zelltyp organisieren kann, der kein eigenes IKAROS produziert. Und IKAROS setzte sich durch. Tatsächlich veränderte IKAROS die 3D-Organisation eines wesentlichen Teils des Hautzellgenoms und führte zur Bildung neuer Schleifen, von denen einige denen aus ihrer B-Zell-Analyse ähnelten.

Die Wissenschaftler betonen, dass die Erforschung der Organisation von Chromatin im 3D-Raum uns helfen kann zu verstehen, wie sich gesunde Zellen entwickeln – und wie ein falsch gefaltetes Genom Krankheiten wie Immunschwächen und Krebs verursacht. Für die Zukunft sind die Forscher daran interessiert, mehr über die Störung und Krankheitsentwicklung von IKAROS zu erfahren.

Weitere Autoren der Studie waren Zhihong Zhang, Margaret Veselits, Sourya Bhattacharyya, Mariko Kashiwagi, Marcus R. Clark und Bruce A. Morgan.