Eine der faszinierendsten Entdeckungen in der Biologie ist, dass Zellen über Mechanismen verfügen, die die Genexpression dynamisch regulieren. Diese Fähigkeit, die Transkription bestimmter Gene zu fördern oder einzuschränken, ohne die DNA-Sequenzen selbst zu verändern, ist für alle Lebensformen von entscheidender Bedeutung, von Einzellern bis hin zu den komplexesten Pflanzen- und Tierarten.
Obwohl unser Verständnis dieser sogenannten epigenetischen Mechanismen noch lange nicht vollständig ist, wurden auf diesem Gebiet mit dem Verständnis der Rolle des Polycomb Repressive Complex 2 (PRC2) bemerkenswerte Fortschritte erzielt. PRC2 ist ein Protein, das in vielen Pflanzen an bestimmte DNA-Sequenzen, sogenannte Polycomb Response Elements (PREs), bindet und eine chemische Markierung an nahe gelegene Histone anbringt (die strukturelle Stütze der DNA im Zellkern).
Diese chemische Veränderung, die als „Trimethylierung von H3K27 (H3K27me3)“ bekannt ist, verhindert, dass benachbarte Gene in RNA und damit in Proteine umgewandelt werden, und schaltet sie damit effektiv aus. Trotz dieses Wissens haben Wissenschaftler jedoch noch nicht verstanden, wie durch PRC2 ausgeschaltete Gene wieder aktiviert werden können.
In einer Studie veröffentlicht In eLebenEin Forscherteam des Nara Institute of Science and Technology (NAIST) in Japan hat versucht, Antworten auf dieses Rätsel zu finden. Unter der Leitung von Nobutoshi Yamaguchi führte das Team umfangreiche Experimente an gentechnisch veränderten Arabidopsis thaliana-Pflanzen durch und enthüllte wichtige Teile des komplexen epigenetischen Orchesters, das in diesen und vielen anderen Organismen abläuft.
Die Forscher konzentrierten sich vor allem auf das Set Domain-containing Protein 7 (SDG7), das bekanntermaßen die Methylierung von Proteinen im Zellzytosol (intrazelluläre Flüssigkeit) reguliert. Vorversuche zeigten, dass SDG7 auch im Zellkern vorkommt, was das Team zu weiteren Untersuchungen veranlasste.
Nach einer umfangreichen Reihe von Analysen und Messungen an mutierten A. Thaliana-Kulturen entdeckten die Forscher eine neue Funktion von SDG7. Es stellte sich heraus, dass dieses Protein ebenfalls an PREs bindet und dabei mit PRC2 konkurriert.
Darüber hinaus kann SDG7 PRC2 tatsächlich verdrängen und so verhindern, dass es die Markierung H3K27me3 hinterlässt. Darüber hinaus fügt SDG7 selbst durch die Methylierung von H3K36 eine aktive Histonmarkierung hinzu.
Nachdem die H3K36-Methylierung vorhanden ist, verbreiten das Proteinpaar SDG8 und der Polymerase-assoziierte Faktor 1 (PAF1) diese aktive Markierung im gesamten Genkörper, was zu einer effizienten Genaktivierung führt.
In gewisser Weise können die Histonstellen H3K27 und H3K36 als „Schalter“ interpretiert werden, der die Expression bestimmter Gene dynamisch ein- und ausschalten kann.
„Dieser einfache und elegante antagonistische molekulare Schalter zwischen der Methylierung von H3K27 und H3K36 eignet sich ideal für die epigenetische Neuprogrammierung während der Pflanzenentwicklung“, sagt Yamaguchi.
„Da bei vielen Blütenpflanzen ein Wechsel zwischen der Methylierung von H3K27 und H3K36 beobachtet wurde, könnte der Wettbewerbsmechanismus zwischen SDGs und PRC2 an PREs bei vielen Pflanzenarten zur Steuerung der Entwicklung erhalten bleiben.“
Diese Studie wirft Licht auf die komplexen epigenetischen Mechanismen, auf die zahllose Pflanzen- und Tierarten angewiesen sein könnten, und ebnet möglicherweise den Weg für künftige Durchbrüche in der Landwirtschaft, im Gartenbau und im Ackerbau.
„Wir glauben, dass unsere Erkenntnisse für Pflanzenbiologen und Epigenetiker von großem Interesse sind, da die epigenetische Regulierung eine weitreichende Rolle bei der Genexpression während der Entwicklung und bei Reaktionen auf die Umwelt spielt“, schließt Yamaguchi.
Weitere Informationen:
Nobutoshi Yamaguchi et al., Arabidopsis SDG-Proteine vermitteln Polycomb-Entfernung und transkriptionsgekoppelte H3K36-Methylierung zur Genaktivierung, eLeben (2024). DOI: 10.7554/eLife.100905.1