Studie zeigt, dass die DNA-Replikation in frühen Embryonen anders verläuft als bisher angenommen

Eine neue Entdeckung von Forschern am RIKEN Center for Biosystems Dynamics (BDR) in Japan stellt jahrzehntelange Annahmen zur DNA-Replikation auf den Kopf. Unter der Leitung von Ichiro Hiratani und Kollegen wurden die Experimente veröffentlicht 28. August in Natur zeigen, dass die DNA-Replikation in frühen Embryonen anders verläuft als bisherige Forschung lehrt und eine Phase der Instabilität einschließt, in der es zu Chromosomenkopierfehlern kommt.

Da fehlgeschlagene Schwangerschaften und Entwicklungsstörungen häufig mit Chromosomenanomalien in Zusammenhang stehen, könnten die Erkenntnisse Auswirkungen auf den Bereich der Reproduktionsmedizin haben und möglicherweise zu verbesserten Methoden der In-vitro-Fertilisation (IVF) führen.

Während der Embryogenese teilt sich die ursprünglich befruchtete Eizelle, ebenso wie jeder neue Satz Tochterzellen. Am dritten Tag nach der Befruchtung hat ein Embryo drei Teilungen durchlaufen und enthält 16 Zellen. Jede Zellteilung geht mit einer DNA-Replikation einher, wodurch sichergestellt wird, dass jede Tochterzelle eine Kopie des gesamten Genoms enthält.

In ihrer neuen Studie wollte das Forscherteam von RIKEN BDR die Natur des DNA-Replikationsprozesses in Embryonen im Frühstadium charakterisieren. Sie verwendeten ihre selbst entwickelte Einzelzellgenomiktechnik namens scRepli-seq und wendeten sie auf sich entwickelnde Mausembryonen an.

Mithilfe dieser Technologie war das Team in der Lage, zu verschiedenen Zeitpunkten während der DNA-Replikationsperioden Schnappschüsse der DNA einzelner embryonaler Zellen zu machen. Was sie fanden, widersprach den Annahmen der Wissenschaftler über die DNA-Replikation in Embryonen.

„Wir haben während der frühen Embryogenese der Maus mehrere spezialisierte Arten der DNA-Replikation entdeckt, die noch niemand zuvor beobachtet hatte“, sagt Hiratani. „Darüber hinaus haben wir festgestellt, dass die genomische DNA zu bestimmten Zeitpunkten vorübergehend instabil ist und Chromosomenaberrationen vermehrt auftreten.“

Aus den Lehrbüchern wissen wir, dass sich DNA nicht auf einmal repliziert. Stattdessen werden verschiedene Bereiche eines Chromosoms in einer bestimmten Reihenfolge dupliziert. Die erste Entdeckung des Teams war, dass die in reifen Zellen beobachteten Replikations-Zeitdomänen erst existieren, wenn ein Embryo 4 Zellen hat. Das bedeutet, dass sich DNA im Gegensatz zu allen anderen Zellen in einem späteren Körper in 1- und 2-Zellen-Embryonen gleichmäßig und nicht sequenziell repliziert.

Jedes Mal, wenn ein Teil eines Chromosoms zur Replikation abgewickelt wird, werden DNA-Regionen entpackt und bilden eine Struktur, die wie eine Weggabelung aussieht. Damit die Replikation fortgesetzt werden kann, muss sich die Gabel den DNA-Strang entlang bewegen, kopierte Regionen erneut entpackt und den nächsten Abschnitt entpackt.

Die zweite Entdeckung des Teams war, dass die Gabelgeschwindigkeit in den 1-, 2- und 4-Zellen-Stadien viel langsamer ist als nach dem 8-Zellen-Stadium der Embryogenese. Der 4-Zellen-Embryo kann nun als Übergangsstadium angesehen werden, in dem die gleichmäßige DNA-Replikation sequentiell wird, während er immer noch die langsame Gabelbewegung zeigt, die für 1- und 2-Zellen-Embryonen charakteristisch ist. Im Gegensatz dazu ähneln 8-Zellen-Embryonen viel mehr reifen Zellen und zeigen sequentielle Replikation und schnelle Gabelbewegung.

Fehler bei der DNA-Replikation in den ersten Tagen nach der Befruchtung führen häufig zu Chromosomenunregelmäßigkeiten, wie z. B. zusätzlichen Kopien, fehlenden Kopien, unterbrochenen Kopien oder unvollständigen Kopien. Einige dieser Kopierfehler führen zu Fehlgeburten, während andere zu Entwicklungsstörungen wie dem Down-Syndrom, auch als Trisomie 21 bekannt, führen. Die dritte Entdeckung des Teams war, dass die Häufigkeit chromosomaler Kopierfehler bei Embryonen im Frühstadium vorübergehend erhöht war, am häufigsten während des 4-Zellen-Stadiums.

Die Forscher verwendeten erneut scRepli-seq, diesmal zur Erkennung von Chromosomenkopienzahlanomalien. Sie stellten fest, dass beim Übergang zwischen 1- und 2-Zellstadium oder zwischen 8- und 16-Zellstadium nur sehr wenige Fehler auftraten.

Andererseits zeigten 13 % der Zellen während des Übergangs zwischen dem 4- und 8-Zellen-Stadium Chromosomenanomalien, die wahrscheinlich auf Kopierfehler während des 4-Zellen-Stadiums zurückzuführen waren. Weitere Tests deuteten darauf hin, dass die Kopierfehler in diesem Stadium mit den sich langsam bewegenden Gabeln zusammenhingen.

„Unsere Erkenntnisse werfen viele neue Fragen auf“, sagt Hiratani. „Bleiben diese Phänomene beispielsweise auch bei anderen Spezies, darunter menschlichen Embryonen, evolutionär erhalten? Und was ist das weitere Schicksal von Zellen mit Chromosomenaberrationen?“

Diese Entdeckung könnte nicht nur als Orientierung für die zukünftige Grundlagenforschung dienen, sondern Befruchtungskliniken auch dabei helfen, bessere Strategien zur Minimierung der Chromosomenanomalien zu entwickeln, die in den ersten Tagen nach der Befruchtung häufig auftreten.