Theorien darüber, wie Schleifen die Genexpression kontrollieren, müssen möglicherweise überarbeitet werden

In menschlichen Chromosomen wird DNA von Proteinen umhüllt, um eine äußerst lange Perlenkette zu bilden. Diese „Schnur“ ist in zahlreiche Schleifen gefaltet, von denen angenommen wird, dass sie den Zellen helfen, die Genexpression zu kontrollieren und unter anderem die DNA-Reparatur zu erleichtern. Eine neue Studie des MIT legt nahe, dass diese Schleifen sehr dynamisch und kurzlebiger sind als bisher angenommen.

In der neuen Studie konnten die Forscher die Bewegung eines Abschnitts des Genoms in einer lebenden Zelle etwa zwei Stunden lang verfolgen. Sie sahen, dass diese Strecke nur 3 bis 6 Prozent der Zeit vollständig geloopt wurde, wobei die Schleife nur etwa 10 bis 30 Minuten dauerte. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass das derzeitige Verständnis der Wissenschaftler darüber, wie Schleifen die Genexpression beeinflussen, möglicherweise revidiert werden muss, sagen die Forscher.

„Viele Modelle auf dem Gebiet waren diese Bilder von statischen Schleifen, die diese Prozesse regulieren. Was unser neues Papier zeigt, ist, dass dieses Bild nicht wirklich korrekt ist“, sagt Anders Sejr Hansen, Underwood-Prescott Career Development Assistant Professor of Biological Engineering am MIT . „Wir vermuten, dass der Funktionszustand dieser Domänen viel dynamischer ist.“

Hansen ist einer der Hauptautoren der neuen Studie, zusammen mit Leonid Mirny, Professor am Institute for Medical Engineering and Science und am Department of Physics des MIT, und Christoph Zechner, Gruppenleiter am Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik in Dresden, Deutschland, und dem Zentrum für Systembiologie Dresden. MIT-Postdoc Michele Gabriele, kürzlich an der Harvard University Ph.D. Preisträger Hugo Brandão und MIT-Doktorand Simon Grosse-Holz sind die Hauptautoren des Papiers, das heute in erscheint Wissenschaft.

Aus der Schleife

Mithilfe von Computersimulationen und experimentellen Daten haben Wissenschaftler, darunter Mirnys Gruppe am MIT, gezeigt, dass Schleifen im Genom durch einen Prozess namens Extrusion gebildet werden, bei dem ein molekularer Motor das Wachstum von immer größeren Schleifen fördert. Der Motor stoppt jedes Mal, wenn er auf ein „Stoppschild“ auf der DNA trifft. Der Motor, der solche Schleifen extrudiert, ist ein Proteinkomplex namens Cohesin, während das DNA-gebundene Protein CTCF als Stoppschild dient. Diese Kohäsin-vermittelten Schleifen zwischen CTCF-Stellen wurden in früheren Experimenten beobachtet.

Diese Experimente boten jedoch nur eine Momentaufnahme, ohne Informationen darüber, wie sich die Schleifen im Laufe der Zeit verändern. In ihrer neuen Studie entwickelten die Forscher Techniken, die es ihnen ermöglichten, CTCF-DNA-Stellen fluoreszierend zu markieren, sodass sie die DNA-Schleifen über mehrere Stunden abbilden konnten. Sie entwickelten auch eine neue Berechnungsmethode, die die Schleifenereignisse aus den Bilddaten ableiten kann.

„Diese Methode war für uns entscheidend, um in unseren experimentellen Daten Signal von Rauschen zu unterscheiden und Looping zu quantifizieren“, sagt Zechner. „Wir glauben, dass solche Ansätze für die Biologie immer wichtiger werden, da wir mit Experimenten die Nachweisgrenzen weiter verschieben.“

Die Forscher verwendeten ihre Methode, um einen Abschnitt des Genoms in embryonalen Stammzellen der Maus abzubilden. „Setzen wir unsere Daten in den Kontext eines Zellteilungszyklus, der etwa 12 Stunden dauert, existiert die vollständig ausgebildete Schleife tatsächlich nur etwa 20 bis 45 Minuten oder etwa 3 bis 6 Prozent der Zeit“, sagt Grosse-Holz .

„Wenn die Schleife nur für einen so winzigen Zeitraum des Zellzyklus vorhanden und sehr kurzlebig ist, sollten wir diesen Zustand der vollständigen Schleife nicht als den primären Regulator der Genexpression betrachten“, sagt Hansen. „Wir glauben, dass wir neue Modelle dafür brauchen, wie die 3D-Struktur des Genoms die Genexpression, die DNA-Reparatur und andere funktionelle Downstream-Prozesse reguliert.“

Während vollständig geformte Schleifen selten waren, stellten die Forscher fest, dass teilweise extrudierte Schleifen in etwa 92 Prozent der Fälle vorhanden waren. Diese kleineren Schleifen waren mit den bisherigen Verfahren zum Nachweis von Schleifen im Genom schwierig zu beobachten.

„In dieser Studie konnten wir durch die Integration unserer experimentellen Daten mit Polymersimulationen nun die relativen Ausmaße der ungeschleiften, teilweise extrudierten und vollständig geschleiften Zustände quantifizieren“, sagt Brandão.

„Da diese Interaktionen sehr kurz, aber sehr häufig sind, konnten die bisherigen Methoden ihre Dynamik nicht vollständig erfassen“, fügt Gabriele hinzu. „Mit unserer neuen Technik können wir damit beginnen, Übergänge zwischen vollständig geloopten und ungeloopten Zuständen aufzulösen.“

Die Forscher vermuten, dass diese partiellen Schleifen eine wichtigere Rolle bei der Genregulation spielen könnten als vollständig ausgebildete Schleifen. DNA-Stränge laufen aneinander entlang, wenn sich Schleifen zu bilden beginnen und dann auseinanderfallen, und diese Wechselwirkungen können regulatorischen Elementen wie Enhancern und Genpromotoren helfen, einander zu finden.

„In mehr als 90 Prozent der Fälle gibt es einige vorübergehende Schleifen, und vermutlich ist es wichtig, diese Schleifen zu haben, die ständig extrudiert werden“, sagt Mirny. „Der Prozess der Extrusion selbst kann wichtiger sein als der vollständig geschlungene Zustand, der nur für kurze Zeit auftritt.“

Weitere Schleifen zum Lernen

Da die meisten anderen Schleifen im Genom schwächer sind als die, die die Forscher in diesem Artikel untersucht haben, vermuten sie, dass sich viele andere Schleifen ebenfalls als sehr kurzlebig erweisen werden. Sie planen nun, mit ihrer neuen Technik einige dieser anderen Schleifen in einer Vielzahl von Zelltypen zu untersuchen.

„Es gibt ungefähr 10.000 dieser Schleifen, und wir haben uns eine angeschaut“, sagt Hansen. „Wir haben viele indirekte Hinweise darauf, dass die Ergebnisse verallgemeinerbar wären, aber wir haben das nicht bewiesen. Mit der von uns aufgebauten Technologieplattform, die neue experimentelle und rechnerische Methoden kombiniert, können wir beginnen, uns anderen Schleifen zu nähern im Genom.“

Die Forscher planen auch, die Rolle bestimmter Schleifen bei Krankheiten zu untersuchen. Viele Krankheiten, einschließlich einer neurologischen Entwicklungsstörung namens FOXG1-Syndrom, könnten mit einer fehlerhaften Schleifendynamik in Verbindung gebracht werden. Die Forscher untersuchen nun, wie sowohl die normale als auch die mutierte Form des FOXG1-Gens sowie das krebserregende Gen MYC von der Bildung von Genomschleifen betroffen sind.