Studie klärt, wie „Junk-DNA“ die Genexpression beeinflusst

Seit Jahrzehnten wissen Wissenschaftler, dass „Junk-DNA“ trotz ihres Namens tatsächlich eine entscheidende Rolle spielt: Während die kodierenden Gene Baupläne für den Aufbau von Proteinen liefern, die die meisten Körperfunktionen steuern, sind einige der nichtkodierenden Abschnitte des Genoms, einschließlich Regionen, die zuvor als „Müll“ abgetan wurden, scheinen die Expression dieser Gene zu erhöhen oder zu verringern.

Es ist jedoch unklar, wie bestimmte nichtkodierende Regionen die Genexpressionsniveaus beeinflussen – also die Häufigkeit, mit der ein Gen in RNA kopiert und zur Herstellung von Proteinen verwendet wird.

Nun, ein neues Studie von Polly Fordyce, Ph.D., außerordentlicher Professorin für Bioingenieurwesen und Genetik, und ihren Kollegen hat einen Teil des Rätsels gelüftet. Ihre Entdeckung könnte Forschern helfen, komplexe genetische Erkrankungen wie Autismus, Schizophrenie, Krebs und Morbus Crohn zu verstehen.

„Wir wissen seit einiger Zeit, dass Short Tandem Repeats, kurz STRs, kein Müll sind, weil ihre Anwesenheit oder Abwesenheit mit Veränderungen in der Genexpression korreliert“, sagte Fordyce. „Aber wir wissen nicht, wie sie diese Wirkung ausüben.“

Autoren der Studie, veröffentlicht am 22. September in WissenschaftIch bin davon überzeugt, dass dies der erste Weg ist, der einen Leitfaden zum Verständnis bietet, wie sich STR-Veränderungen auf die Genexpression auswirken können.

Eine sich weiterentwickelnde Sicht auf „Junk-DNA“

STRs machen etwa 5 % des menschlichen Genoms aus. „Seit den 1980er Jahren stellten Forscher fest, dass Änderungen an diesen repetitiven Sequenzen die Genexpression beeinflussen können“, sagte der Hauptautor der Studie, Connor Horton, der Techniker in Fordyces Labor war. „Das ist die Spur der Brotkrumen, der wir gefolgt sind.“

Für die Studie untersuchten die Forscher, wie STRs mit Proteinen, sogenannten Transkriptionsfaktoren, interagieren. Transkriptionsfaktoren binden an nichtkodierende DNA und regulieren die Expression proteinkodierender Gene.

„Forscher haben viel Zeit damit verbracht, diese Transkriptionsfaktoren zu charakterisieren und herauszufinden, an welche Sequenzen – sogenannte Motive – sie am liebsten binden“, sagte Fordyce. Aktuelle Modelle erklären jedoch nicht ausreichend, wo und wann Transkriptionsfaktoren an nichtkodierende DNA binden, um die Genexpression zu regulieren. Manchmal ist an etwas, das wie ein perfektes Motiv aussieht, kein Transkriptionsfaktor gebunden. In anderen Fällen binden Transkriptionsfaktoren an DNA-Abschnitte, die keine Motive sind.

„Um das Rätsel zu lösen, warum Transkriptionsfaktoren an bestimmte Stellen im Genom gelangen und an andere nicht, mussten wir über die äußerst bevorzugten Motive hinausblicken“, sagte Fordyce. „In dieser Studie zeigen wir, dass die STR-Sequenz um das Motiv herum einen wirklich großen Einfluss auf die Bindung des Transkriptionsfaktors haben kann, und liefern Hinweise darauf, was diese wiederholten Sequenzen bewirken könnten.“

Um die Rolle kurzer Tandem-Wiederholungen bei der Genexpression besser zu verstehen, reduzierten die Forscher die Mechanismen auf ihre Grundlagen: Transkriptionsfaktoren und nackte DNA. Sie verwendeten spezielle, im Fordyce-Labor entwickelte Assays, um Tausende kleiner Experimente nebeneinander durchzuführen und so Zeit und Geld zu sparen.

In den Experimenten wurde verglichen, wie eng Transkriptionsfaktoren an Tausende von DNA-Sequenzen gebunden sind – solche mit einem bevorzugten Motiv, solche ohne eines und solche, die von Zufallssequenzen oder einer Vielzahl von STRs umgeben sind.

„In dem Experiment fragten wir: ‚Wie wirken sich diese Veränderungen auf die Stärke der Bindung des Transkriptionsfaktors aus?‘“, sagte Fordyce. „Wir haben einen überraschend großen Effekt gesehen. Das Variieren der STR-Sequenz um ein Motiv herum kann einen bis zu 70-fachen Einfluss auf die Bindung haben.“

Um herauszufinden, wie die DNA und die Transkriptionsfaktoren interagieren, stellte Horton Hunderte mutierter Transkriptionsfaktoren her. Er erkannte, dass Änderungen an der DNA-Bindungsdomäne des Transkriptionsfaktors Einfluss darauf hatten, ob dieser das Motiv und die STRs erkannte. Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass die Transkriptionsfaktoren direkt mit dem repetitiven genetischen Code interagieren und sich an ihn und das Motiv mit der DNA-Bindungsdomäne binden.

Modelle zum Verständnis polygener Erkrankungen

Die große Anzahl – über 6.000 – der Experimente, die das Team durchführte, ermöglichte die Entwicklung eines Modells der Regeln, die die Bindung von Transkriptionsfaktoren regeln. Ihre Ergebnisse könnten Forschern sogar dabei helfen, Wechselwirkungen zwischen anderen Transkriptionsfaktoren und nichtkodierenden DNA-Regionen, die die Genexpression regulieren, zu verstehen und zu modellieren.

„Wir wollten kurze Tandemwiederholungen untersuchen. Die von uns entwickelten Modelle lassen sich jedoch weitgehend auf die gesamte Regulierungslandschaft anwenden“, sagte Horton, jetzt Doktorand an der University of California in Berkeley. „Es hilft uns, besser zu verstehen, wie Transkriptionsfaktoren an regulatorische DNA binden, auch wenn keine kurzen Tandem-Wiederholungen beteiligt sind.“

Modelle darüber, wie nichtkodierende regulatorische Regionen die Bindung von Transkriptionsfaktoren beeinflussen, können Forschern helfen, die Rolle dieser Sequenzen bei polygenen Krankheiten zu verstehen. „Es ist seit einiger Zeit bekannt, dass kurze Tandemwiederholungen mit einem erhöhten oder verringerten Risiko für bestimmte Krankheiten verbunden sind“, sagte Horton.

„Wir gehen davon aus, dass Veränderungen in den kurzen Tandemwiederholungen zwischen Individuen zu unterschiedlichen Bindungsstärken des Transkriptionsfaktors führen, was zu Veränderungen in der Genexpression führt, die möglicherweise mit diesen Krankheiten verbunden sind.“

Im Laufe der Jahre haben genomweite Assoziationsstudien Veränderungen bei STRs mit verschiedenen Krankheiten in Verbindung gebracht. „Aber es war nicht klar, was mit diesen Informationen geschehen sollte“, sagte Horton. „Unsere Modelle können Experimente vorschlagen, um zu verstehen, wie sich diese kurzen Tandemwiederholungen auf das Fortschreiten oder das Risiko der Krankheit auswirken.“