Zu verstehen, wie Gene auf molekularer Ebene reguliert werden, ist eine zentrale Herausforderung in der modernen Biologie. Dieser komplexe Mechanismus wird hauptsächlich durch die Interaktion zwischen Proteinen, sogenannten Transkriptionsfaktoren, DNA-Regulationsregionen und epigenetischen Modifikationen – chemischen Veränderungen, die die Chromatinstruktur verändern – angetrieben. Die Gesamtheit der epigenetischen Veränderungen des Genoms einer Zelle wird als Epigenom bezeichnet.
In einer gerade veröffentlichten Studie NaturgenetikWissenschaftler der Hackett-Gruppe am EMBL Rom haben eine modulare Epigenom-Editierungsplattform entwickelt – ein System zur Programmierung epigenetischer Modifikationen an jeder Stelle im Genom. Das System ermöglicht es Wissenschaftlern, den Einfluss jeder Chromatinmodifikation auf die Transkription zu untersuchen, den Mechanismus, durch den Gene in mRNA kopiert werden, um die Proteinsynthese voranzutreiben.
Es wird angenommen, dass Chromatinmodifikationen zur Regulierung wichtiger biologischer Prozesse wie Entwicklung, Reaktion auf Umweltsignale und Krankheiten beitragen.
Um die Auswirkungen spezifischer Chromatinmarkierungen auf die Genregulation zu verstehen, haben frühere Studien ihre Verteilung im Genom gesunder und kranker Zelltypen kartiert. Durch die Kombination dieser Daten mit der Genexpressionsanalyse und den bekannten Auswirkungen der Störung spezifischer Gene haben Wissenschaftler solchen Chromatinmarkierungen Funktionen zugeschrieben.
Es hat sich jedoch als schwierig erwiesen, den kausalen Zusammenhang zwischen Chromatinmarkierungen und der Genregulation zu bestimmen. Die Herausforderung besteht darin, die einzelnen Beiträge der vielen komplexen Faktoren zu analysieren, die an einer solchen Regulierung beteiligt sind – Chromatinmarkierungen, Transkriptionsfaktoren und regulatorische DNA-Sequenzen.
Wissenschaftler der Hackett-Gruppe haben ein modulares Epigenom-Editierungssystem entwickelt, um neun biologisch wichtige Chromatinmarkierungen in jeder gewünschten Region im Genom präzise zu programmieren. Das System basiert auf CRISPR – einer weit verbreiteten Genombearbeitungstechnologie, die es Forschern ermöglicht, Änderungen an bestimmten DNA-Stellen mit hoher Präzision und Genauigkeit vorzunehmen.
Solche präzisen Störungen ermöglichten es ihnen, Ursache-Folge-Beziehungen zwischen Chromatinmarkierungen und ihren biologischen Auswirkungen sorgfältig zu analysieren. Die Wissenschaftler entwarfen und verwendeten außerdem ein „Reportersystem“, das es ihnen ermöglichte, Veränderungen in der Genexpression auf Einzelzellebene zu messen und zu verstehen, wie Veränderungen in der DNA-Sequenz die Auswirkung jeder Chromatinmarkierung beeinflussen. Ihre Ergebnisse zeigen die kausale Rolle einer Reihe wichtiger Chromatinmarkierungen bei der Genregulation.
Beispielsweise fanden die Forscher eine neue Rolle für H3K4me3, eine Chromatinmarkierung, von der zuvor angenommen wurde, dass sie ein Ergebnis der Transkription ist. Sie beobachteten, dass H3K4me3 tatsächlich die Transkription selbst steigern kann, wenn es künstlich an bestimmte DNA-Stellen hinzugefügt wird.
„Das war ein äußerst aufregendes und unerwartetes Ergebnis, das all unseren Erwartungen widersprach“, sagte Cristina Policarpi, Postdoc in der Hackett Group und leitende Wissenschaftlerin der Studie. „Unsere Daten deuten auf ein komplexes regulatorisches Netzwerk hin, in dem mehrere steuernde Faktoren zusammenwirken, um die Genexpressionsniveaus in einer bestimmten Zelle zu modulieren. Zu diesen Faktoren gehören die bereits bestehende Struktur des Chromatins, die zugrunde liegende DNA-Sequenz und die Position in der Zelle.“ Genom.
Hackett und Kollegen erforschen derzeit Möglichkeiten, diese Technologie durch ein vielversprechendes Start-up-Unternehmen zu nutzen. Der nächste Schritt wird darin bestehen, diese Schlussfolgerungen zu bestätigen und zu erweitern, indem Gene in verschiedenen Zelltypen und in großem Maßstab gezielt eingesetzt werden. Wie Chromatinmarkierungen die Transkription über die Vielfalt der Gene hinweg und nachgeschaltete Mechanismen beeinflussen, muss ebenfalls noch geklärt werden.
„Unser modulares epigenetisches Editierungs-Toolkit stellt einen neuen experimentellen Ansatz zur Analyse der wechselseitigen Beziehungen zwischen Genom und Epigenom dar“, sagte Jamie Hackett, Gruppenleiter am EMBL Rom. „Das System könnte in Zukunft genutzt werden, um die Bedeutung epigenomischer Veränderungen für die Beeinflussung der Genaktivität während der Entwicklung und bei menschlichen Krankheiten genauer zu verstehen.“
„Andererseits eröffnet die Technologie auch die Möglichkeit, gewünschte Genexpressionsniveaus auf hochgradig anpassbare Weise zu programmieren. Dies ist ein spannender Weg für präzise Gesundheitsanwendungen und könnte sich bei Krankheiten als nützlich erweisen.“
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Systematische Epigenombearbeitung erfasst die kontextabhängige Lehrfunktion von Chromatinmodifikationen, Naturgenetik (2024). DOI: 10.1038/s41588-024-01706-w