Forscher berichten über Mechanismen der genregulatorischen Divergenz zwischen Arten

Nah verwandte Tierarten können körperlich unterschiedlich aussehen, aber Sie werden vielleicht überrascht sein zu erfahren, dass diese Unterschiede nicht nur auf DNA-Sequenzänderungen zurückzuführen sind, die die Struktur oder Funktion von Proteinen verändern, sondern auch darauf, dass Änderungen in der DNA die Art und Weise beeinflussen, wie diese Proteine ​​exprimiert werden. Hinzu kommt, dass nicht alle Unterschiede zwischen den Arten allein durch DNA-Sequenzänderungen erklärt werden können.

Die Molekularbiologin Emily Hodges, Assistenzprofessorin für Biochemie, untersucht die regulatorischen Elemente unseres Genoms und interessiert sich für die Analyse, wie sich Änderungen in der DNA-Sequenz auf die Genregulation auswirken.

Die Expression von Genen wird durch regulatorische Elemente der DNA-Sequenz wie Gen-Enhancer gesteuert, die dazu beitragen, die Expression eines Zielgens zu erhöhen.

Speziesspezifische Veränderungen der Enhancer-Funktion können aus DNA-Sequenzänderungen resultieren, die direkt innerhalb eines einzelnen Enhancers (cis) oder in der zellulären Umgebung auf eine Weise auftreten, die sich auf Tausende von Enhancern (trans) auswirken kann. Beispielsweise ist ein Transkriptionsfaktor – ein mobiles Protein, das die Expression eines Zielgens steuert – ein transregulierendes Element, das Enhancer auf verschiedenen Chromosomen binden und steuern kann.

In der Vergangenheit hatten Wissenschaftler Schwierigkeiten, die einzelnen Beiträge dieser beiden Mechanismen zur Divergenz der Genexpression zu bestimmen.

Die Labore von Hodges und seinem ehemaligen Kollegen Tony Capra, der heute außerordentlicher Professor für Epidemiologie und Biostatistik an der University of California in San Francisco ist, verwendeten ATAC-STARR-seq – eine vom Hodges-Labor entwickelte Reportertechnik im Genommaßstab –, um die Ergebnisse zu entwirren die relativen Beiträge von cis- und trans-Regulationsmechanismen zur Genregulationsdivergenz zwischen den eng verwandten Menschen und Rhesusaffen. Das Papier, „Die regulatorische Evolution des menschlichen Genres wird durch die Divergenz der regulatorischen Elementfunktionen sowohl in cis als auch in trans vorangetrieben,“ wurde veröffentlicht in Zellgenomik im April 2024.

Mit ATAC-STARR-seq untersuchten die Forscher – unter der Leitung von Tyler Hansen, Absolvent des Hodges-Labors, und Sarah Fong, Absolventin des Capra-Labors – die Auswirkungen verschiedener DNA-Sequenzen (cis-Änderungen) im Kontext verschiedener zellulärer Umgebungen (trans-Änderungen) und umgekehrt und fanden eine wesentlich höhere Anzahl von trans-Änderungen der Genregulationsaktivität als zuvor beobachtet.

Unterschiede zwischen Arten werden oft auf Sequenzvariationen (cis) zurückgeführt, aber die Labore von Hodges und Capra haben herausgefunden, dass Unterschiede in der Zellumgebung (trans) eine wesentliche Rolle bei der Steuerung der Genregulationsdivergenz zwischen Arten spielen. Diese Arbeit stellt die derzeitige Auffassung in Frage, dass cis-regulatorische Veränderungen die Ursache für die größte Divergenz in der regulatorischen Aktivität sind, und argumentiert, dass trans-regulatorische Veränderungen eine entscheidende Rolle bei der Förderung der Genregulationsentwicklung spielen.

Die Analyse der relativen Beiträge von cis- und trans-Mechanismen zur Divergenz der Genregulation hat Auswirkungen auf die Bereiche Genregulation, menschliche Populationsgenetik und Primatenevolution.

In Zukunft möchte Hodges die Erkenntnisse über die menschliche Evolution hinaus erweitern, um zu verstehen, wie cis- und trans-Mechanismen der Genregulation zu Unterschieden im menschlichen Krankheitsrisiko beitragen. Diese Fragen sind von entscheidender Bedeutung für das Verständnis von Krankheiten wie Krebs, bei denen das Zusammenspiel zwischen Sequenzänderungen, Epigenetik und zellulärer Umgebung den Krankheitsverlauf stark beeinflusst.

A Vorschauartikel Die Diskussion dieser Forschung wurde in derselben Ausgabe von veröffentlicht Zellgenomik.