Das Team entdeckt den Zusammenhang zwischen dem Timing der DNA-Replikation und der Art und Weise, wie sich Gene im Zellkern zu 3D-Strukturen falten

Der komplizierte Prozess der Vervielfältigung genetischer Informationen, der als DNA-Replikation bezeichnet wird, ist das Herzstück der Übertragung des Lebens von einer Zelle auf eine andere und von einem Organismus auf den nächsten. Dies geschieht nicht nur durch das Kopieren der genetischen Informationen; Außerdem muss eine gut orchestrierte Abfolge molekularer Ereignisse zum richtigen Zeitpunkt stattfinden.

Wissenschaftler um Prof. Maria-Elena Torres-Padilla vom Helmholtz-Zentrum München haben kürzlich einen faszinierenden Aspekt dieses als „Replication Timing“ (RT) bekannten Prozesses entdeckt und herausgefunden, wie besonders dieser Zeitpunkt ist, an dem Leben beginnt. Der neue Ergebnisse sind jetzt veröffentlicht in Natur.

Der Prozess des DNA-Replikations-Timings (RT) bezieht sich auf die spezifischen Momente, in denen verschiedene Regionen unseres genetischen Codes dupliziert werden. Forscher des Instituts für Epigenetik und Stammzellen am Helmholtz-Zentrum München haben eine Technik namens „Repli-seq“ implementiert, um den engen Zusammenhang zwischen RT und der Anpassungsfähigkeit von Zellen, der zellulären Plastizität, zu untersuchen.

Interessanterweise entdeckten sie auch eine neue Beziehung zwischen RT und der Art und Weise, wie sich die Gene im Zellkern zu dreidimensionalen Strukturen falten.

Beginnend mit dem frühesten Stadium eines Embryos, der Zygote – dem Anfang des Lebens eines Organismus – haben Forscher eine Karte der RT von diesem Einzelzellstadium bis zu dem Stadium erstellt, in dem sich der Embryo in der Gebärmutter der Mutter einnistet, der sogenannten Blastozyste. Die unerwartete Entdeckung ist, dass die RT im einzelligen Embryo nicht sehr geordnet ist, was darauf hindeutet, dass Genomduplikationen in diesen frühen Zellen sehr flexibel sind.

Nach dem 4-Zellen-Stadium wird die RT jedoch definierter. Es findet ein allmählicher Prozess statt, der den allmählichen Erwerb von Modifikationen an der DNA und den damit verbundenen Proteinen, den sogenannten Chromatinmarkierungen, widerspiegelt, die die Aktivität und Bedeutung der Gene für die Zellfunktionen anzeigen.

Maria-Elena Torres-Padilla, korrespondierende Autorin der Studie, erklärt weiter: „Das ist bemerkenswert, denn es zeigt uns, dass diese frühen Embryozellen über ein sehr ‚plastisches‘ Genomvervielfältigungsprogramm verfügen. Da diese frühen Zellen totipotent sind, können sie etwas schaffen.“ Jede einzelne Zelle in unserem Körper. Wir glauben, dass das, was wir in dieser Studie entdeckt haben, einer der Gründe ist, warum diese Zellen so bemerkenswert in der Lage sind, den gesamten Körper zu erschaffen.“

Die neuen Erkenntnisse zur DNA-Replikation können ein Werkzeug zur Neuprogrammierung von Zellen sein. Dr. Tsunetoshi Nakatani, der Erstautor der Studie, fügt hinzu: „Wir können uns vorstellen, die Zellidentität zu ändern, indem wir ihr RT-Programm in ein flexibleres umwandeln.“

Die Ergebnisse zeigen außerdem, dass die RNA-Polymerase, allgemein bekannt als das Enzym, das für das Lesen des genetischen Codes und dessen Transkription in RNA verantwortlich ist, zur Bestimmung des genauen RT-Programms beiträgt und einige Hinweise darauf liefert, wie ein solches Programm in Zukunft manipuliert werden kann .

Das Forschungsteam hat herausgefunden, dass zunächst die dreidimensionale Struktur des Genoms Gestalt annimmt und daraufhin das RT-Programm etabliert wird. Dies ist eine aufregende Erkenntnis, da sie davon ausgeht, dass die Art und Weise, wie sich unser Genom in den dreidimensionalen Raum des Zellkerns einfügt, die Flexibilität des RT-Programms beeinflusst.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Zeitpunkt der DNA-Replikation ein faszinierendes Puzzleteil in der großen Erzählung des Lebens ist. Es zeigt, wie die Präzision der genetischen Replikation eng mit der Fähigkeit der Zellen des frühen Embryos zusammenhängt, andere Zelltypen in unserem Körper zu erzeugen. Während Forscher diese Zusammenhänge weiter erforschen, gewinnen wir ein tieferes Verständnis für das Wesen der Übertragung des Lebens von Zelle zu Zelle, von Organismus zu Organismus und dafür, was eine Zelle dazu befähigt, einen neuen Körper zu erzeugen.