Entschlüsselung einer Histonmarkierung, die für eine bei Krebs schieflaufende Genregulation wichtig ist

Ein Forschungsteam der University of Hong Kong (HKU) unter der Leitung von Professor Xiang David Li vom Department of Chemistry in Zusammenarbeit mit Dr. Yuanliang Zhai von der HKU School of Biological Sciences und Dr. Jason Wing Hon Wong und Dr. Xiucong Bao aus Die HKU School of Biomedical Sciences hat kürzlich einen entscheidenden Durchbruch erzielt, um zu verstehen, wie genetische Informationen, die in unserer DNA kodiert sind, gelesen werden und warum Fehler beim Lesen solcher Informationen oft zu Entwicklungsstörungen oder Krebs führen können. Die Ergebnisse wurden kürzlich in veröffentlicht Wissenschaft.

Jeder Zelltyp im menschlichen Körper (mit einigen Ausnahmen) enthält genau die gleiche DNA-Sequenz, die als Gene bekannt ist. Um einen bestimmten Zelltyp herzustellen (z. B. eine Stammzelle, ein Neuron), muss jede Zelle daher sorgfältig auswählen, welche Gene exprimiert werden sollen. Dieser grundlegende Prozess wird durch diverse Modifikationen von Histonproteinen reguliert, die bisher nur als Spulen für die Verpackung von DNA im Zellkern unserer Zellen galten.

Wir wissen jetzt, dass diese Histonmodifikationen Tags oder Markierungen auf dem Chromatin sind, die als Hauptschalter für die Regulation von Genen fungieren – sie bestimmen, welche Gensätze in einer Zelle zur richtigen Zeit und für die richtige Zeit „EIN“ oder „AUS“ sein sollten Dauer. Eine Fehlregulation dieses grundlegenden Prozesses liegt vielen schweren menschlichen Krankheiten wie Krebs zugrunde.

Verschiedene Arten von Histonmarkierungen wirken als zelluläre Signale, um verschiedene Chromatin-assoziierte Maschinen zu steuern, die die Genexpression, DNA-Replikation und Schadensreparatur regulieren. Eine der Herausforderungen in der Chromatinbiologie besteht darin, wie bestimmte Histonmarkierungen interpretiert werden, um ihre biologische Funktion zu erfüllen. Um diese Frage zu beantworten, ist es wichtig, die Reader zu finden, eine Klasse von Proteinen, die bestimmte Histonmarkierungen erkennen und sie übersetzen, indem sie die Expression von Genen entsprechend erhöhen oder verringern.

Die Leser vieler Histonmarkierungen sind jedoch noch unbekannt, was unsere Fähigkeit einschränkt, ihre Rolle bei der Genregulation zu verstehen. Ein langjähriges Interesse des Labors von Professor Li ist die Entwicklung neuartiger chemischer Ansätze zur Identifizierung von Histon-Readern, die mit herkömmlichen biologischen Methoden möglicherweise schwer zu finden sind.

Eine solche Methode verwendet ein Peptid, das eine Histonmarkierung enthält (dh ein kleines Fragment eines Histonproteins), das als Köder dient, um nach Lesern zu fischen, die die Markierung erkennen. „Der Schlüssel zum Erfolg ist nicht nur der Köder, sondern auch ein speziell entwickelter Haken, der mit einer lichtaktivierten chemischen Gruppe ausgestattet ist, um die Lesegeräte bei Einwirkung von UV-Licht zu fesseln“, erklärte Professor Li.

In dieser Studie konzentrierte sich das Team auf eine Methylierungsmarkierung am Histon H3 Lysin 79 (H3K79me2). In menschlichen Zellen findet sich diese Markierung in aktiv exprimierten Genen. Der Verlust von H3K79me2 in Säugetierembryonen kann zu mehreren Entwicklungsanomalien führen, einschließlich Wachstumsstörungen, Herzerweiterung und Tod. Andererseits wurde H3K79me2 bei einer Vielzahl von Krebsarten wie Kinderleukämie in ungewöhnlich hohen Konzentrationen und an den falschen Stellen (z. B. krebsfördernde Gene) gefunden.

Trotz seiner biologischen Bedeutung für die Genregulation ist der Mechanismus, wie diese Markierung „übersetzt“ wird, unklar, da die Leser von H3K79me2 seit seiner Entdeckung vor 20 Jahren nicht gefunden wurden. Tatsächlich haben viele Labore im Laufe der Jahre verschiedene Ansätze ausprobiert, um nach diesen Lesegeräten zu suchen. „Es ist eine große Herausforderung, H3K79me2-Leser zu identifizieren, selbst mit unseren zuvor entwickelten neuartigen chemischen Ansätzen“, sagte Professor Li.

Es gibt zwei große Hürden, die es zu überwinden gilt. Erstens kann das „Lesen“ der Markierungen nicht nur die Markierung selbst, sondern auch das gesamte Histon und sogar den als Nukleosom bezeichneten Histon-DNA-Komplex umfassen. Mit anderen Worten, das Erkennen von H3K79me2 durch seine Leser kann einen nativen Nukleosomen- oder Chromatin-Kontext erfordern. Zweitens kann die Interaktion zwischen den Lesegeräten und H3K79me2 schwach oder sogar vorübergehend sein und dadurch während des Angelvorgangs leicht verloren gehen.

„Um H3K79me2-Leser zu fangen, müssen wir unseren Köder und Haken verbessern“, sagte Li. Aber es war nicht trivial. Lis Labor verbrachte mehr als fünf Jahre damit, ihr neues Werkzeug zu entwickeln. Anstatt ein kleines Fragment des Histonproteins zu verwenden, synthetisierten sie chemisch ein intaktes Nukleosom mit einem verbesserten trifunktionalen Haken und H3K79me2 als Köder. Mithilfe dieser neuen Technologie identifizierte das Team erfolgreich ein Protein namens Menin als Leser von H3K79me2.

Um zu verstehen, wie Menin die H3K79me2-Markierung las, setzte das Team eine hochmoderne Technologie namens Kryo-Elektronenmikroskopie ein, um die molekularen Details dieser Wechselwirkung zu visualisieren. „Die Aufklärung der Details, wie Menin an die H3K79-Methylierung bindet, ist der Schlüssel zur Entwicklung neuer Medikamente zur Behandlung von damit verbundenen Krebsarten [dysregulated] H3K79me2“, sagte Professor Li.

Die Pionierarbeit von Li und Mitarbeitern hat unser Verständnis der grundlegenden biologischen Prozesse der Genregulation erweitert. Diese Ergebnisse eröffnen auch neue Möglichkeiten für die Entwicklung neuartiger Therapeutika zur Behandlung von Erkrankungen des Menschen, die durch abnormale H3K79-Methylierung verursacht werden.