Die Enhancers-Studie liefert Einblicke in die Art und Weise, wie die Genexpression pluripotente Stammzellen im naiven Zustand aufbaut und aufrechterhält

Während der Embryonalentwicklung sind Zellen zunächst pluripotent oder haben das Potenzial, sich durch Differenzierung in viele verschiedene Zelltypen zu verwandeln. Naiver Zustand ist die Bezeichnung für das früheste Entwicklungsstadium pluripotenter Stammzellen und gilt als totipotent, mit der Fähigkeit, jede Art von Zelle in einem mehrzelligen Organismus zu werden. Die Expression eines bestimmten Gens oder einer Reihe von Genen bestimmt, zu welcher Art von Zelle – zum Beispiel einer Hautzelle – eine Zelle wird.

Der erste Schritt der Genexpression wird Transkription genannt. Während der Transkription binden Proteine ​​an DNA-Sequenzen wie Promotoren und Enhancer im Inneren der Zelle, um die Genexpression direkt zu beeinflussen.

Ein Forschungslabor am Lewis & Clark College in Portland, Oregon, erforscht die Eigenschaften von Enhancern, die die Expression eines Gens namens Klf4 beeinflussen, das für die Etablierung und Aufrechterhaltung pluripotenter Stammzellen im naiven Zustand wichtig ist.

„Zu verstehen, wie die Genexpression in pluripotenten Stammzellen gesteuert wird, ist wichtig, um diese Zellen in medizinischen Anwendungen nutzen zu können, insbesondere in der regenerativen Medizin, wo das Potenzial besteht, neues Gewebe für Patienten zu produzieren“, sagte Sharon Torigoe, Professorin für Biologie an der Lewis & Clark und der Hauptforscher.

Um zu funktionieren, werden Enhancer von Transkriptionsfaktoren oder Proteinen interpretiert, die an DNA-Sequenzen binden und dann anderen Faktoren signalisieren, ob sie ein Zielgen exprimieren sollen. An den Enhancern, die den Prozess der Aktivierung der Klf4-Expression initiieren, sind mehrere Transkriptionsfaktoren beteiligt, die zentralen sind OCT4 und SOX2.

Durch Experimente stellten Torigoe und ihre Studenten fest, dass die Bindungsstellen in Klf4-Enhancern für die Transkriptionsfaktoren OCT4 und SOX2 „niedrige Affinität“ hatten. Mit anderen Worten: Die Transkriptionsfaktoren banden nicht sehr gut an die Enhancer-Sequenz.

Sie waren von diesem Befund zunächst überrascht, bestätigten jedoch schließlich, dass diese „geringe Affinität“ entscheidend für die Steuerung der naivzustandsspezifischen Aktivitäten der Enhancer für Klf4 war. Tatsächlich zeigten weitere Experimente, dass die Klf4-Enhancer nicht optimal funktionierten, wenn sie die Bindungsstellen durch bessere Versionen mit hoher Affinität ersetzten.

Sie haben veröffentlicht ihre Erkenntnisse in PLUS EINSin einem Artikel mit dem Titel: „Eine suboptimale OCT4-SOX2-Bindungsstelle erleichtert die naive-state-spezifische Funktion eines Klf4-Enhancers.“

„Wir fanden heraus, dass die geringe Affinität der Bindungsstellen für die zentralen Transkriptionsfaktoren entscheidend für die Spezifizierung der Enhancer-Funktion war“, sagt Torigoe. „Unsere Arbeit legt nahe, dass die Affinität der OCT4-SOX2-Bindungsstellen die Enhancer-Funktionen in bestimmten Pluripotenzzuständen erleichtern könnte.“

Als Torigoe und ihre Studenten die Literatur durchforsteten, stellten sie fest, dass Forscher zuvor ähnliche Funktionen für Bindungsstellen für Transkriptionsfaktoren mit niedriger Affinität in anderen Enhancern und Organismen beobachtet hatten. Soweit Torigoe weiß, ist ihre Arbeit eine der ersten, die die Bedeutung von Bindungsstellen mit niedriger Affinität für einen Enhancer in pluripotenten Stammzellen im naiven Zustand bestätigt.

„Das Genom enthält eine riesige Menge an Informationen, die dafür sorgen, dass ein Organismus funktioniert, und wir wissen so wenig darüber, selbst über die Teile, von denen wir dachten, wir wüssten“, sagt Torigoe. „Wir kennen Enhancer seit den 1980er Jahren und müssen noch viel darüber verstehen.“

Diese Forschung erweitert das Wissen der Wissenschaftler über die Mechanismen der Genexpression im weiteren Sinne.

„Wir haben mittlerweile so viele Möglichkeiten, Genome zu sequenzieren, aber wir verstehen noch nicht, was all diese Informationen bedeuten“, sagt Torigoe. „Einblicke in Enhancer aus Sequenzsicht zu gewinnen, wird uns helfen, jedes Genom zu interpretieren, sei es für neue Organismen, um die Evolution zu verstehen, oder für Patienten, um die genetischen Grundlagen menschlicher Krankheiten zu verstehen.“