Wenn es um DNA geht, entpuppt sich eine lästige Mücke als Rebell unter den Arten.
Forscher des Zentrums für Theoretische Biologische Physik (CTBP) der Rice University gehören zu den Pionieren eines neuen Ansatzes zur Untersuchung von DNA. Anstatt sich auf Chromosomen als lineare Sequenzen des genetischen Codes zu konzentrieren, suchen sie nach Hinweisen darauf, wie ihre gefalteten 3D-Formen die Genexpression und -regulation bestimmen könnten.
Bei den meisten Lebewesen falten sich ihre fadenförmigen Chromosomen, um auf eine von zwei Arten in die Zellkerne zu passen. Aber die Chromosomen der Mücke Aedes aegypti – die für die Übertragung von Tropenkrankheiten wie Dengue, Chikungunya, Zika, Mayaro und Gelbfieber verantwortlich ist – trotzen dieser Dichotomie und überraschten die Forscher des CTBP.
Die Chromosomen der Aedes aegypti organisieren sich als flüssige, aber dennoch orientierte „Flüssigkristalle“, die sich von allen anderen Arten unterscheiden, laut ihrer Studie, die in veröffentlicht wurde Naturkommunikation.
„Das Verständnis der DNA ist ein Schlüssel zum Verständnis der Funktionsweise des Lebens“, sagte der theoretische Physiker Peter Wolynes von Rice, ein Co-Autor der Studie. „Wir fangen gerade erst an zu verstehen, wie die 3D-Architektur von Chromosomen die Funktion von Genomen beeinflusst.“
Eine kollaborative Studie aus dem Jahr 2021, die von einem Team des CTBP gemeinsam geleitet und in veröffentlicht wurde Wissenschaft berichteten, dass Chromosomen eines von zwei strukturellen Mustern aufweisen, wenn sich Zellen nicht teilen, dem Stadium im Zelllebenszyklus, das als Interphase bekannt ist.
„In einer ‚Typ-Zwei‘-Genomarchitektur – wie sie zum Beispiel bei Menschen und Hühnern zu finden ist – bilden Chromosomen Territorien und vermischen sich nicht so sehr“, sagte Vinícius Contessoto, ein CTBP-Forscher und leitender Co-Autor von der neuesten Studie und war auch Co-Autor der Studie 2021.
Die noch unbekannten Kräfte, die aktive und inaktive Teile von „Typ-Zwei“-Chromosomen während der Interphase voneinander getrennt halten, verhalten sich wie diejenigen, die verhindern, dass sich Öl und Wasser vermischen.
„In einer ‚Typ-1‘-Architektur, wie sie in Hefe oder vielen Pflanzen zu finden ist, kommen die als Zentromere bekannten Regionen der Chromosomen zusammen und falten sie zu einer ineinandergreifenden, haarnadelartigen Struktur, die mit Telomeren polarisiert ist“, sagte José Onuchic, Harry C. und Olga K. Wiess von Rice sind Professorin für Physik und Astronomie sowie Professorin für Chemie und Biowissenschaften.
„Etwas, das mich überrascht, ist, dass, obwohl so viele verschiedene Arten kartiert wurden, sie immer noch größtenteils in eine dieser zwei verschiedenen Klassen fallen“, sagte Wolynes. „Die Mücke Aedes aegypti ist der erste echte Ausreißer.“
Das Genom der Aedes aegypti ist ungefähr halb so lang wie das menschliche Genom und ist in sechs große Chromosomen organisiert, im Gegensatz zu den 46 des Menschen bilden diese langgestreckten Gebiete“, sagte Contessoto.
„Während der Interphase sind Chromosomen vom Typ 2 wirklich sehr flüssig, ungeordnete Dinge, die sich zu tröpfchenförmigen Territorien zusammenballen“, sagte Wolynes, Professor für Naturwissenschaften der Bullard-Welch-Stiftung bei Rice und Professor für Chemie, Biochemie und Zellbiologie sowie Physik und Astronomie sowie Materialwissenschaft und Nanotechnik und Co-Direktor des CTBP.
Die Chromosomen der Mücke Aedes aegypti weisen flüssige Eigenschaften auf und trennen sich wie flüssige Öl- und Wassertröpfchen voneinander. Gleichzeitig werden sie durch Verdichtungskräfte teilweise verdichtet, was ihnen eine ungewöhnliche Form verleiht, die wie ein überlanger Fußball orientiert ist, was darauf hindeutet, dass ihre Konsistenz auch der eines Kristalls ähnelt.
Darüber hinaus bleibt die Organisation der Chromosomen im Inneren unbeeinflusst, wenn eine Kraft auf einen regulären „Typ-Zwei“-Kern ausgeübt wird und dieser verformt wird. „Es ist, als würde man einen Wasserballon anstechen – er nimmt wieder seine ursprüngliche Form an. Aber wenn wir den Kern der Moskitozellen anstechen, ändern sich die Muster der Chromosomen im Inneren dramatisch“, sagte Onuchic.
„Dies ist ein faszinierendes Merkmal der Chromosomenarchitektur vom Typ Eins, das darauf hindeutet, dass es einen möglichen Mechanismus gibt, der die Genregulation mit mechanischen Eingaben in die Zelle verbindet“, sagte Onuchic. Im Jahr 2020 bestätigten er und seine Mitarbeiter die Existenz eines Mechanismus, der die Genomstruktur mit der Genexpression verbindet.
Mehr Informationen:
Vinícius G. Contessoto et al., Interphase-Chromosomen der Mücke Aedes aegypti sind flüssigkristallin und können mechanische Hinweise wahrnehmen, Naturkommunikation (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-35909-2