Bahnbrechende Technik enthüllt neue Ebene der menschlichen Genregulation

Eine neue Studie zeigt, dass eine Technik zum ersten Mal bestimmen kann, wie häufig und genau wo ein molekulares Ereignis namens „Backtracking“ im gesamten genetischen Material (Genom) einer Art auftritt.

Online veröffentlicht am 9. Februar in Molekulare Zelle, Die Studie Die Ergebnisse stützen die Theorie, dass Backtracking eine weit verbreitete Form der Genregulation darstellt, die Tausende menschlicher Gene beeinflusst, darunter viele, die an grundlegenden Lebensprozessen wie Zellteilung und Entwicklung im Mutterleib beteiligt sind.

Unter der Leitung von Forschern der Grossman School of Medicine der NYU dreht sich die Arbeit um Gene, die Abschnitte molekularer „Buchstaben“ der DNA, die in einer bestimmten Reihenfolge (Sequenz) angeordnet sind, um die Baupläne für die meisten Organismen zu kodieren. Sowohl bei Menschen als auch bei Bakterien erfolgt der erste Schritt in der Expression eines Gens, die Transkription, als eine Protein-„Maschine“ namens RNA-Polymerase II, die die DNA-Kette entlang tickt und genetische Anweisungen in eine Richtung liest.

Im Jahr 1997 wurde Evgeny Nudler, Ph.D. und Kollegen veröffentlicht ein Papier Das zeigte, dass die RNA-Polymerase manchmal entlang der Kette, die sie liest, rückwärts rutschen kann, ein Phänomen, das sie „Backtracking“ nannten. Seitdem haben Studien gezeigt, dass in lebenden Zellen gelegentlich ein Backtracking stattfindet, kurz nachdem die RNA-Polymerase mit der RNA-Synthese beginnt oder wenn sie auf beschädigte DNA trifft, um Platz für ankommende Reparaturenzyme zu schaffen.

Nachfolgende Arbeiten deuteten darauf hin, dass die Rückfall- und Reparaturmaschinerie schnell arbeiten und sich auflösen musste, da sie sonst mit der DNA-Polymerase kollidieren und Zelltod verursachende Brüche in den DNA-Ketten verursachen könnte.

Nun zeigt eine neue Studie von Nudlers Team an der NYU Langone Health, dass ihre neue Technik, Long Range Cleavage Sequencing (LORAX-seq), direkt erkennen kann, wo Backtracking-Ereignisse beginnen und enden. Durch die Ergänzung früherer Ansätze, die indirekt oder begrenzt waren, zeigt die neue Methode, dass viele solcher Ereignisse weiter zurückgehen als bisher angenommen und dadurch länger andauern.

Die Ergebnisse deuten auch darauf hin, dass anhaltendes Backtracking häufig im gesamten Genom auftritt, häufiger in der Nähe bestimmter Gentypen auftritt und Funktionen hat, die weit über die DNA-Reparatur hinausgehen.

„Die überraschende Stabilität des Backtrackings über größere Entfernungen macht es wahrscheinlich, dass es sich um eine allgegenwärtige Form der genetischen Regulation in Arten von Bakterien bis hin zu Menschen handelt“, sagt Nudler, der leitende Autor der Studie und Julie Wilson Anderson-Professorin in der Abteilung für Biochemie und Molekularbiologie Pharmakologie an der NYU Langone.

„Wenn weitere Arbeiten unsere Erkenntnisse auf verschiedene Entwicklungsprogramme und pathologische Zustände ausdehnen, könnte das Backtracking der Epigenetik ähneln, deren Entdeckung eine überraschende neue Ebene der Genregulation enthüllte, ohne den DNA-Code zu verändern.“

Im Mittelpunkt des Lebens?

Die RNA-Polymerase II übersetzt den DNA-Code in ein verwandtes Material namens RNA, das dann den Aufbau der Proteine ​​steuert. Zu diesem Zweck bewegt sich der Komplex entlang der DNA-Ketten in eine Richtung, kehrt jedoch in bestimmten Szenarien zurück. Frühere Studien haben gezeigt, dass die RNA-Polymerase II beim Zurückweichen die Spitze der RNA-Kette, die sie auf der Grundlage des DNA-Codes aufgebaut hat, aus ihrem inneren Kanal herausdrängt (extrudiert).

Da längeres Backtracking zu schädlichen Kollisionen führen kann, geht man davon aus, dass die Transkription durch den Transkriptionsfaktor IIS (TFIIS) schnell wiederhergestellt wird, der das Abschneiden (Spaltung) der extrudierten, „backtracked“ RNA fördert. Dies macht den Weg für die RNA-Polymerase II frei, das Lesen des Vorwärtscodes fortzusetzen.

Andere, frühere Studien hatten jedoch gezeigt, dass sich die zurückverfolgte RNA an den Kanal anlagern kann, durch den sie extrudiert wird, und sie länger an Ort und Stelle hält, wenn die Polymerase über eine bestimmte Distanz (z. B. 20 Nukleobasen-DNA-Bausteine) zurückgeht. Es ist weniger wahrscheinlich, dass blockierte, zurückverfolgte Komplexe durch TFIIS-gesteuerte Spaltung gerettet werden, und es ist wahrscheinlicher, dass sie die Transkription des beteiligten Gens verzögern.

Dies führte zu der Theorie, dass Backtracking nicht nur eine Schlüsselrolle bei DNA-Reparaturwegen spielt, sondern auch die Wirkung von Genen als wichtigen Regulierungsmechanismus verstärken oder verringern könnte.

Den Forschern zufolge kommt TFIIS wahrscheinlich in geringen Konzentrationen in lebenden Zellen vor und konkurriert mit Hunderten anderer Proteine ​​darum, an zurückverfolgte RNA zu gelangen und diese auszuschneiden, damit die Transkription fortgesetzt werden kann.

In der aktuellen Studie verwendete das Team stattdessen eine hohe Konzentration an gereinigtem TFIIS (keine konkurrierenden Proteine), um jedes Stück zurückverfolgter RNA überall dort, wo es im genetischen Code einer Zelle vorkommt, präzise herauszuschneiden. Dadurch wurden die ausgeschnittenen Schnipsel für Technologien verfügbar, die Codesequenzen lesen und Hinweise auf deren Standort und Funktion liefern.

Das Forschungsteam fand außerdem heraus, dass die Gene, die Histone steuern – Protein-„Spulen“, um die sich DNA-Ketten innerhalb des Chromatins wickeln, das die Genexpression organisiert –, sehr anfällig für anhaltendes Zurückverfolgen sind.

Die Autoren gehen davon aus, dass das Ausmaß, in dem dies geschieht, zusammen mit den damit verbundenen Veränderungen in der Transkription bestimmter Gene, den Zeitpunkt der Histonakkumulation in großem Maßstab steuern könnte, die während der Zellteilung zum Wiederaufbau des Chromatins erforderlich ist. Sie weisen auch darauf hin, dass anhaltendes Zurückverfolgen die rechtzeitige Transkription von Genen beeinflussen könnte, die für die Gewebeentwicklung wichtig sind.

„Neben seinen potenziell nützlichen Funktionen könnte das anhaltende Zurückverfolgen auch zu DNA-Schäden und anderen genetischen Fehlfunktionen führen, die zur Krankheit beitragen“, sagt der Erstautor der Studie, Kevin Yang, ein Doktorand in Dr. Nudlers Labor.

„Wir spekulieren, dass die Messung des Backtrackings beispielsweise im Zusammenhang mit Alterung oder Krebs uns helfen könnte, zu verstehen, warum Fehlfunktionen in der Zellstressreaktion und der Zellreplikation auftreten, und neue Behandlungsansätze vorzuschlagen.“

Studienautoren der Abteilung für Biochemie und Molekulare Pharmakologie der NYU Langone Health waren neben Yang und Nudler Aviram Rasouly, Vitaly Epshtein, Criseyda Martinez, Thao Nguyen und Ilya Shamovsky. Nudler ist außerdem Forscher am Howard Hughes Medical Institute.