Forscher um Kannosuke Yabe, Asuka Kamio und Soichi Inagaki von der Universität Tokio haben entdeckt, dass die Methylierung des Histons H3-Lysin-9 (H3K9) in der Ackerschmalwand, die üblicherweise als Zeichen für die Abschaltung der Gentranskription gilt, über die Wechselwirkung zweier anderer Proteine und Histonmarkierungen auch die Genexpression einschalten kann.
Die molekularen Mechanismen zeigen, dass die H3K9-Methylierung nicht wie ein einfacher „Ausschalter“ funktioniert, sondern eher wie ein „Dimmerschalter“, der die DNA-Transkription fein abstimmt. Die Entdeckung lässt darauf schließen, dass es ähnliche Mechanismen auch in anderen Organismen geben könnte. Die Ergebnisse waren veröffentlicht im Journal Wissenschaftliche Fortschritte.
DNA wird oft als „Bauplan biologischer Organismen“ bezeichnet. Die Bezeichnung „Werkzeugkasten der Zellen“ wäre jedoch vielleicht treffender, da Zellen auch kontrollieren müssen, welche Gene, die Grundbausteine der DNA, transkribiert oder, anders ausgedrückt, „ein- oder ausgeschaltet“ werden.
Dies ist Epigenetik und beinhaltet die komplexen Interaktionen vieler Proteinarten, wie z. B. Histone. Die H3K9-Methylierung ist eine epigenetische Markierung, die mit der Abschaltung der DNA-Transkription verbunden ist. Obwohl die H3K9-Methylierung vor 25 Jahren entdeckt wurde, sind noch nicht alle ihre molekularen Mechanismen geklärt.
„Biologische Systeme sind so komplex“, sagt Inagaki, der leitende Forscher, „dass es für uns fast unmöglich ist, genau zu verstehen, wie das Leben funktioniert. Aber wir können versuchen, einen winzigen Teil davon zu verstehen. Die Regulierung der Genaktivität ist grundlegend für das Leben und mit vielen biologischen Phänomenen verbunden.“
Die Forscher untersuchten die molekularen Mechanismen der Genregulation in Arabidopsis thaliana, auch Ackerschmalwand genannt. Das Team verwendete eine Technik namens Chromatin-Immunpräzipitationssequenzierung (ChIP-seq). Diese Technik bietet einen detaillierten Einblick in die Interaktion von Proteinen mit DNA. Sie kann verwendet werden, um die Positionen von Proteinmodifikationen sehr genau zu analysieren, was sie zu einem geeigneten Werkzeug zur Untersuchung der Histonmethylierung macht. Dann kamen die Ergebnisse zur besonderen Rolle der H3K9-Methylierung.
„Zuerst habe ich den Ergebnissen der Analyse keine Beachtung geschenkt“, erinnert sich Inagaki, „und etwa ein Jahr lang keine weiteren Forschungen zu diesem Thema betrieben. Ich habe den Befund übersehen, weil er so unerwartet kam. Doch eines Tages hatte ich ein Aha-Erlebnis und in meinem Kopf ergab alles einen Sinn. Danach verlief der Beweis der Hypothese, dass die H3K9-Methylierung eine Doppelrolle hat, reibungslos.“
Die Doppelfunktion der H3K9-Methylierung wird durch zwei weitere Proteine erreicht, LDL2 und ASHH3. LDL2 hilft, Gene auszuschalten, indem es eine weitere Histonmarkierung, die H3K4-Methylierung, entfernt. ASHH3 schaltet das Gen ein, indem es LDL2 über eine dritte Histonmarkierung, die H3K36-Methylierung, daran hindert, zu arbeiten. Die komplexe Beziehung der drei Histonmarkierungen (H3K9, H3K4, H3K36) bestimmt die Aktivität des Gens.
„Ich freue mich, dass wir den grundlegenden Aspekt der Genregulation durch H3K9-Methylierung entdeckt haben, auch wenn bereits viele Studien zur Funktion und den Kontrollmechanismen der H3K9-Methylierung bei vielen Organismen durchgeführt wurden. Ich hoffe, dass diese Entdeckung weitere wissenschaftliche Bemühungen anregen wird, um zu klären, wie die Genregulation funktioniert“, sagt Inagaki.
Mehr Informationen:
Kannosuke Yabe et al, H3K9-Methylierung reguliert Heterochromatin-Silencing durch inkohärente Feedforward-Schleifen, Wissenschaftliche Fortschritte (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adn4149. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adn4149