Neuer genetischer Sensor für DNA-Methylierung entdeckt

Bei der DNA-Methylierung wird eine Methylgruppe an die Cytosinbase des DNA-Moleküls angehängt. Dabei handelt es sich um eine wichtige Methode zur epigenetischen Markierung der DNA. Epigenetische Modifikationen können als An-/Ausschalter zur Regulierung der Genexpression fungieren und zur Erzeugung unterschiedlicher Zelltypen beitragen, ohne die zugrunde liegende DNA-Sequenz zu verändern. So stellt der Körper beispielsweise sicher, dass gehirnbezogene Gene in Herzzellen nicht aktiviert werden.

Aus diesem Grund ist die Aufrechterhaltung des DNA-Methylierungsmusters wichtig, um die korrekte und konsistente Funktion jedes Zelltyps sicherzustellen. Dies ist jedoch keine leichte Aufgabe: Das DNA-Methylierungsmuster kann sich im Laufe der Zeit ändern, was mit einer Vielzahl von Krankheiten in Verbindung steht.

Bei der einen handelt es sich um eine seltene genetische Erkrankung namens Immunschwäche, Zentromerinstabilität und Gesichtsanomalien (ICF-Syndrom), zu deren Symptomen wiederkehrende Atemwegsinfektionen, Gesichtsanomalien sowie verlangsamtes Wachstum und verlangsamte Wahrnehmung gehören.

Obwohl bekannt ist, dass Mutationen im CDCA7-Gen das ICF-Syndrom verursachen, war über die molekulare Funktion des Gens wenig bekannt. Nun hat das Funabiki-Labor der Rockefeller University in enger Zusammenarbeit mit Forschern der Universität Tokio und der Yokohama City University ein einzigartiges funktionelles Merkmal von CDCA7 entdeckt, das die korrekte Vererbung der DNA-Methylierung gewährleistet.

Die Forscher entdeckten, dass CDCA7 die Hemimethylierung bei Eukaryoten erkennt – eine wichtige Entdeckung, denn lange Zeit dachte man, die Hemimethylierungserkennung werde ausschließlich von einem Protein namens UHRF1 durchgeführt. Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse In Wissenschaftliche Fortschritte.

„Das ist ein ziemlich unglaublicher Befund“, sagt Co-Erstautorin Isabel Wassing, Postdoktorandin im Labor für Chromosomen- und Zellbiologie, das von Hiro Funabiki geleitet wird. „Die Erkenntnis, dass CDCA7 auch als Sensor fungiert, erklärt, warum seine Mutation zu Krankheiten wie dem ICF-Syndrom führt, und schließt eine große Lücke auf dem Gebiet der Epigenetik.“

„Es wirft aber auch neue Fragen auf. Warum benötigt die Zelle beispielsweise zwei verschiedene Hemimethylierungssensoren?“

Ein Übergangszustand

In gewaltigen Zyklen der Zellteilung, bei denen eine Mutterzelle in zwei identische Tochterzellen geteilt wird, entstehen die Billionen von Zellen, aus denen der menschliche Körper besteht. Eine sorgfältige Replikation und Trennung des in Chromosomen verpackten DNA-Moleküls ermöglicht die genaue Vererbung genetischer Anweisungen an jede neue Tochterzelle.

Die DNA-Replikation ist ein kniffliger Prozess. Im Zentrum eines Zellkerns befindet sich Chromatin, ein Komplex aus Makromolekülen, die aus doppelsträngiger DNA und Histonproteinen bestehen, um die sich die DNA wie eine Schnur um ein Jo-Jo wickelt, um Nukleosomen zu bilden.

Während der Replikation wickelt sich der doppelsträngige DNA-Strang um das Histon herum ab und teilt sich in zwei Einzelstränge. DNA-Polymerasen fügen dann komplementäre Nukleotide an jeden Strang an, wodurch zwei Kopien des doppelsträngigen DNA-Moleküls entstehen.

Allerdings werden die Methylgruppen nicht automatisch auf den neu synthetisierten DNA-Strang kopiert, wodurch dieser vorübergehend halbmethyliert wird: Der alte elterliche DNA-Strang ist methyliert, die neu eingebauten Nukleotide im Tochter-DNA-Strang hingegen nicht, was darauf hinweist, dass die Aufrechterhaltung der DNA-Methylierung erforderlich ist.

Tatsächlich ist die Erkennung der Hemimethylierung durch UHRF1 der entscheidende erste Schritt; dann rekrutiert und aktiviert das Protein die DNA-Methyltransferase DNMT1, die die Methylmarkierung auf dem neu synthetisierten DNA-Strang anbringt.

Es steht viel auf dem Spiel, da die Fähigkeit der Zelle, das Vorhandensein einer Hemimethylierung zu erkennen, an eine strikte Frist gebunden ist: Wird der hemimethylierte Zustand der DNA nicht vor der nächsten Replikationsrunde erkannt, geht die epigenetische Methylierungsmarkierung dauerhaft verloren.

Das Chromatin-Problem

Wissenschaftler wissen, dass der Zugang vieler Enzyme und DNA-bindender Proteine ​​durch Chromatin eingeschränkt wird, darunter auch jener, die für die Methylierung der DNA erforderlich sind. Frühere Untersuchungen des Funabiki-Labors zeigten, dass CDCA7 einen Komplex mit dem vom HELLS-Gen kodierten Protein bildet, dessen Mutationen ebenfalls das ICF-Syndrom verursachen. HELLS ist ein sogenannter Nukleosom-Remodeler, der das DNA-Molekül vorübergehend vom Nukleosom ablösen kann.

„Wir gingen davon aus, dass der CDCA7-HELLS-Komplex wichtig ist, um der Zelle zu helfen, die Barriere des verdichteten Heterochromatins zu überwinden und das DNA-Molekül für die Ablagerung der Methylierung zugänglich zu machen“, erklärt Funabiki. „Aber es gibt viele verschiedene Nukleosom-Remodeler, die das DNA-Molekül auf diese Weise freilegen können.“

„Es blieb für uns ein Rätsel, warum CDCA7-HELLS der einzige Nukleosom-Remodellierungskomplex ist, der direkt mit der Aufrechterhaltung der DNA-Methylierung in Zusammenhang steht. Nachdem wir nun gezeigt haben, dass CDCA7 HELLS speziell für hemimethylierte DNA rekrutiert, bietet dies endlich eine Erklärung.“

In diesem neuen Modell erkennt CDCA7 die hemimethylierte DNA im Chromatin und rekrutiert HELLS an die Stelle, das als Nukleosom-Remodeler das Nukleosom aus dem Weg schiebt und so die Hemimethylierungsstelle für UHRF1 freigibt.

Die Übergabe der Hemimethylierungserkennung deutet darauf hin, dass CDCA7 Hemimethylierung im dichten Heterochromatin besser erkennen kann als UHRF1. Dies erklärt auch, warum die Zelle zwei verschiedene Sensoren benötigt.

„Damit diese Sensoren Hemimethylierung erkennen können, müssen sie das hemimethylierte DNA-Substrat direkt und selektiv binden“, sagt Wassing. „CDCA7 scheint in einzigartiger Weise dazu in der Lage zu sein, während die DNA um das Nukleosom gewickelt ist. Ohne CDCA7 wäre UHRF1 blind für das Hemimethylierungssignal innerhalb der Nukleosompartikel.“

Dieses neue Verständnis könnte helfen, die zugrunde liegenden Mechanismen von Krankheiten zu erhellen, die auf eine gestörte Methylierung zurückzuführen sind. In Zukunft werden sie nach Funktionen von Hemimethylierungssensoren suchen, die über die Aufrechterhaltung der DNA-Methylierung hinausgehen.

„Da bekannt ist, dass einige Chromosomenbereiche ihren Hemimethylierungsstatus bewahren, könnte ihre Erkennung durch CDCA7 eine viel umfassendere Rolle bei der Genregulation und Chromosomenorganisation spielen“, sagt Funabiki. „Das ist eine spannende Möglichkeit.“