Ihre Hautzellen unterscheiden sich deutlich von Ihren Gehirnzellen, obwohl sie sich beide in derselben Person entwickeln und dieselben Gene tragen. Sie unterscheiden sich, weil jeder Zelltyp einen bestimmten Satz von Genen exprimiert, der sich von denen unterscheidet, die von den anderen exprimiert werden. Dies ist dank zellulärer Mechanismen möglich, die die Genexpression streng regulieren.
In einer Studie veröffentlicht in der Proceedings of the National Academy of Sciences, enthüllen Forscher am Baylor College of Medicine in der Gruppe von Dr. Bert O’Malley einen neuen Schlüsselaspekt des Mechanismus der Genexpressionsregulierung. Die Ergebnisse tragen nicht nur zu einem besseren Verständnis dieses wesentlichen biologischen Prozesses bei, sondern eröffnen auch neue Möglichkeiten, um Veränderungen in der Regulation der Genexpression zu untersuchen, die zu Krankheiten führen.
„Die Genexpression wird auf verschiedenen Ebenen kontrolliert“, sagte Hauptautor Dr. Anil K. Panigrahi, Assistenzprofessor in der Abteilung für Molekular- und Zellbiologie in Baylor. „In dieser Studie haben wir uns auf Enhancer konzentriert, eine der kritischen Komponenten, die die Genexpression regulieren. Enhancer sind DNA-Segmente, die die Genexpression aktivieren, indem sie mit dem Promotor des Gens interagieren. Enhancer und Promotoren bilden einen physischen Kontakt, der die Botschaft an die Zelle weitergibt wann das Gen exprimiert werden soll und wie viel.“
Obwohl Enhancer und Promotoren ihre Aktionen zu koordinieren scheinen, ist unklar, wie dies geschieht. In dieser Studie schlagen Panigrahi und seine Kollegen einen Mechanismus vor, der die enge Verbindung zwischen Verstärkern und Promotoren erklärt.
Die Enhancer-vermittelte Regulation der Genexpression wurde hauptsächlich in intakten lebenden Zellen untersucht. „Obwohl viel aus diesen Systemen gelernt wurde, ist es schwierig, bestimmte Komponenten in intakten Zellen zu kontrollieren, was unser mechanistisches Verständnis des Prozesses einschränkt“, sagte Panigrahi. „Aus diesem Grund haben wir einen zellfreien Assay entwickelt, mit dem wir die Verfügbarkeit verschiedener Reaktionskomponenten kontrollieren und bestimmen können, wie sich dies auf die Transkription auswirkt.“
„Im zellfreien System haben wir gesehen, dass der Enhancer und der Promotor einen engen physischen Kontakt herstellen, wenn das Gen transkribiert, dh mRNA-Transkripte der DNA-Sequenz erstellt“, sagte Panigrahi. „Aber wir haben entdeckt, dass nicht nur das Gen, sondern auch der Enhancer im zellfreien System transkribiert wird, wie es in lebenden Zellen passiert.“
Darüber hinaus fanden sie heraus, dass die Transkription des Enhancers die Transkription des Promotors widerspiegelt. „Wenn wir den Transkriptionsstatus des Enhancers kennen, kennen wir den Transkriptionsstatus des Promotors und umgekehrt“, sagte Panigrahi. „Wenn wir den Promoter weglassen, wird die Transkription des Enhancers deutlich reduziert und umgekehrt. Enhancer- und Promoter-Transkription sind eng miteinander verbunden.“
Frühere Studien, die zellbasierte Assays verwendeten, legten nahe, dass die Enhancer-Transkription irgendwie die Promotor-Transkription aktivierte.
„Was wir sagen, ist, dass dies in beide Richtungen geht, nicht nur in eine Richtung“, sagte Panigrahi. „Die Enhancer-Transkription aktiviert die Promotor-Transkription und umgekehrt. Nicht nur das, wenn die Transkriptionsmenge im Enhancer reduziert wird, dann wird auch die Promotor-Transkription reduziert und umgekehrt. Es besteht eine wechselseitige Transkriptionsabhängigkeit zwischen Enhancern und Promotoren, die vorher nicht bekannt war .“
Die Forscher schlagen vor, dass eine solche gegenseitige Abhängigkeit und regulatorische Spezifität erklärt werden kann, wenn der Enhancer und der Promotor in einer Transkriptionsblase verstrickt sind, die beide gemeinsame Ressourcen für die Transkription bereitstellt und durch die erzeugten Transkriptspiegel reguliert wird.
„Wir entwickeln derzeit zusätzliche Methoden, um dieses Transkriptionsblasenmodell, das die Verschränkung der beteiligten Enhancer-Promotor-Paare ermöglicht, endgültig zu testen“, sagte O’Malley, Kanzler der Abteilung für Molekular- und Zellbiologie und stellvertretender Direktor für Grundlagenforschung am Dan L Duncan Comprehensive Cancer Center in Baylor. „Unser zellfreier Assay kann verwendet werden, um Promotor-Enhancer-Wechselwirkungen für jedes interessierende Gen zu untersuchen, sowohl bei Gesundheit als auch bei Krankheiten.“
Mehr Informationen:
Anil K. Panigrahi et al, Enhancer-Promoter-Verschränkung erklärt ihre Transkriptionswechselwirkung, Proceedings of the National Academy of Sciences (2023). DOI: 10.1073/pnas.2216436120