Synthetische Werkzeuge leiten Nachrichten von Station zu Station in DNA weiter

Forscher der Rice University haben gezeigt, dass CRISPR-Cas9, das als Gen-Editing-Tool immer bekannter wird, auf leistungsstarke zusätzliche Weise in menschlichen Zellen eingesetzt werden kann.

Ein Team unter der Leitung des Rice-Bioingenieurs Isaac Hilton und des Doktoranden Kaiyuan Wang verwendete deaktivierte Cas9 (dCas9)-Proteine, um auf Schlüsselsegmente des menschlichen Genoms abzuzielen und die Transkription menschlicher Gene synthetisch auszulösen.

Durch die Verwendung von dCas9 zur Rekrutierung von Proteinen, die Gene auf natürliche Weise anschalten können, konnte das Rice-Team wichtige Details über menschliche Promotoren und Enhancer aufdecken – die Teile unserer DNA, die koordinieren, wann und in welchem ​​​​Umfang unsere Gene angeschaltet werden – welche in steuert wiederum das Verhalten unserer Zellen.

„Wir verwenden diese Werkzeuge der synthetischen Biologie, um die Fähigkeit zu verbessern, die Genexpression zu manipulieren und menschliche Zellen zu programmieren und folglich besser zu verstehen, wie unsere Gene auf natürliche Weise funktionieren“, sagte Hilton. „Solche Studien sind wichtig, weil dieses Wissen und diese technischen Fähigkeiten langfristig bessere Gen- und Zelltherapien und Biotechnologien ermöglichen können.“

Hilton sagte die Studie in Nukleinsäureforschung hebt das wachsende Potenzial von CRISPR-Cas9-basierten Werkzeugen für die synthetische Genkontrolle und das Zell-Engineering hervor. Die Strategie des Teams demonstriert auch die Fähigkeit von dCas9, die epigenetischen Faktoren, die das menschliche Genom beleben, zu beeinflussen und zu verstehen.

„Nur etwa 2 % unseres Genoms enthalten proteinkodierende Gene, und die restlichen 98 % sind sogenannte nichtkodierende DNA“, sagte Hilton. „Enhancer und Promotoren sind Schlüsselbestandteile unserer nicht codierenden Genome, und obwohl die überwiegende Mehrheit dieser Elemente keine konventionellen Gene bilden, gibt es faszinierende genetische Variationen in der nicht codierenden DNA. Diese Variation gibt uns die großartige Vielfalt, die es unserer Spezies ermöglicht, beide erstaunlich zu sein und anpassungsfähig.“

„Die genetische Variation in der nichtkodierenden DNA korreliert jedoch auch stark mit vielen Krankheiten, und selbst subtile Unterschiede in diesen Regionen können mit Pathologien in Verbindung gebracht werden“, sagte er. „Eine drängende Herausforderung besteht darin, dass es oft sehr schwierig ist festzustellen, wie diese Unterschiede den Krankheitsausbruch und die Behandlung beeinflussen.“

„Unser Ziel und unsere Hoffnung ist, dass Technologien und Ansätze wie die unseren Forschern helfen können, diesen wichtigen Verbindungen näher zu kommen und Krankheiten letztendlich vorherzusagen und durchdacht einzugreifen“, sagte Hilton.

Durch die synthetische Aktivierung nichtkodierender DNA demonstrierten die Forscher, wie Promotoren – kurze DNA-Sequenzen, die die Startstellen von Genen markieren – und Enhancer kommunizieren können. Bemerkenswerterweise können Enhancer Tausende von Basenpaaren von ihren Promotoren entfernt sein, aber die Gentranskription stimulieren, indem sie Aktivatorproteine ​​rekrutieren und direkte physikalische Kontakte mit assoziierten Promotoren bilden.

„Enhancer können manchmal auch mysteriöse Transkripte herstellen, die Enhancer-RNAs (eRNAs) genannt werden“, sagte Hilton. „Kai zeigte, dass CRISPR-Technologien verwendet werden können, um diese eRNAs anzuschalten, und dass dies in einigen Fällen eine Art genomisches Tracking fördert, bei dem ein Enhancer entlang der DNA gezogen werden kann, um mit nachgeschalteten Promotoren in Kontakt zu treten.“

„Es scheint auch, dass auf dem Weg wichtige transkriptionelle und epigenetische Informationen hinterlegt werden können“, sagte er. „Es ist spannend zu spekulieren, dass diese Informationen als eine Art Lesezeichen für die Genexpression dienen könnten, das nachfolgende Transkriptionsrunden in einer Art positivem epigenetischen Feedback verstärkt.“

Ihre Strategie zeigte, dass Enhancer und Promotoren eine „intrinsische Reziprozität“ haben können. Während sie wussten, dass Signale von einem Enhancer zu einem Promoter übertragen werden können, lernten sie, dass diese Übertragung auch in die andere Richtung gehen kann.

„Wir sehen, dass eine Regulierung von einem Promoter zu einem Upstream-Enhancer stattfindet“, sagte Wang. „Mechanistisch gesehen gilt das als nicht kanonisch und daher ziemlich überraschend.“

Sie fanden auch heraus, dass CRISPR-Aktivatoren die Häufigkeit von physischen Kontakten zwischen Enhancern und Promotoren erhöhen können, aber nur, wenn sie auf einen Enhancer gerichtet sind, was auf eine Art Einbahnstraße für die Erhöhung der physischen Kontakte hindeutet.

„Wir wissen jetzt, dass diese DNA-Stücke Nachrichten in beide Richtungen senden können, aber dass es einen signifikanten Aspekt der Direktionalität für physischen Kontakt zu geben scheint“, sagte Hilton. „Es gibt sicherlich Reziprozität, aber es scheint, dass der vorherrschende Regulationsmodus hier derjenige ist, bei dem ein Enhancer zu einem entsprechenden Promotor oder Promotoren verfolgt wird.“

Die Forscher sagten, ihre Studie sei nur aufgrund der Fortschritte von CRISPR-Cas9 möglich. „Ohne diese Genom-Targeting-Tools müssten wir andere invasivere und störendere Synthesemethoden verwenden, wie das Ausschalten oder genetische Modifizieren eines regulatorischen Elements“, sagte Wang. „Unsere Ansätze hier machen es einfacher, native zelluläre Mechanismen epigenetisch zu entführen oder umzufunktionieren, um genau zu verstehen und zu konstruieren, wie Gene kontrolliert werden.“