Untersuchung der epigenetischen Regulation auf Einzelmolekülebene

Stellt man sich das Genom als Bedienungsanleitung für das Funktionieren einer Zelle vor, ist jede Seite dieser Anleitung mit Anmerkungen, Markierungen und Lesezeichen übersät. Die Rolle einiger dieser Markierungen bleibt mysteriös – führen sie den Leser aktiv zur richtigen Zeit an die richtige Stelle oder zeigen sie lediglich die Seiten an, die der Leser bereits besucht hat?

Diese subtile Unterscheidung in der Sprache der Zelle kann eine wichtige Rolle für ihr Überleben und ihre Funktion spielen. Wie Forscher der Krebs-Gruppe am EMBL Heidelberg nun gezeigt haben, übt eine solche Annotation – die DNA-Methylierung – eine hochselektive Kontrolle über die Expression von Genen aus, die je nach Zelltyp und Schicksal variiert.

In der obigen Analogie stellen die Anmerkungen, Hervorhebungen und Lesezeichen das dar, was Wissenschaftler „epigenetische Markierungen“ nennen, während der „Leser“ normalerweise die komplexe molekulare Maschinerie ist, die für die Genexpression verantwortlich ist. Letzteres umfasst spezialisierte Proteine, die als Transkriptionsfaktoren bekannt sind.

Wenn eine bestimmte DNA-Region exprimiert werden muss, erfährt die Umgebung physikalische und chemische Veränderungen, wodurch sie für solche molekularen Maschinen zugänglicher wird. Während die DNA-Methylierung im gesamten Genom zu finden ist, bleibt es relativ unerforscht, ob und wie sie diese Zugänglichkeit in bestimmten Genomregionen beeinflusst.

„Unsere Gruppe interessiert sich für die grundlegenden Mechanismen, die die Genexpression regulieren“, sagte Arnaud Krebs, Gruppenleiter am EMBL Heidelberg. „Wir interessieren uns besonders für cis-regulatorische Elemente wie Enhancer – DNA-Regionen, die die Aktivität von Genen steuern.“

Das Team von Krebs war fasziniert von der Tatsache, dass die DNA-Methylierung bei aktiven Enhancern zwar oft reduziert wird, die Ursache-Wirkungs-Beziehung zwischen den beiden jedoch unklar bleibt. Führt die Aktivierung dieser DNA-Regionen zu einer Entfernung der Methylierung? Oder treibt die Verringerung der Methylierung selbst die Aktivierung voran?

Um dies zu untersuchen, verwendete das Team eine hochauflösende Technik, die in seinem Labor entwickelt wurde – Einzelmolekül-Footprinting. Mit dieser Methode konnten sie gleichzeitig die DNA-Methylierung, die Zugänglichkeit und die Transkriptionsfaktorbindung auf der Ebene einzelner DNA-Moleküle messen. Sie wendeten dies auf das gesamte Genom in mehreren Zelltypen an, darunter embryonale Mausstammzellen und differenzierte Zellen. Diese Kombination aus Maßstab und Auflösung ermöglichte es den Wissenschaftlern, ein tieferes Verständnis der Rolle der DNA-Methylierung bei der Genregulation in einer lebenden Zelle zu erlangen.

Das Team fand heraus, dass, während die Zugänglichkeit von ~97 % der von ihnen untersuchten Enhancer unempfindlich gegenüber DNA-Methylierung war, etwa 3 % die Abwesenheit von DNA-Methylierung erforderten, um aktiviert zu werden. An diesen Stellen reduzierte die Methylierung die DNA-Zugänglichkeit und verhinderte direkt die Bindung von Transkriptionsfaktoren. Die Identität dieser methylierungsempfindlichen Enhancer variierte über Zelltypen und Stadien hinweg.

„Die 3 % der Enhancer, die anscheinend durch DNA-Methylierung reguliert werden, sind mit zelltypspezifischen Enhancern angereichert. Wir glauben, dass sie mit Genen verbunden sind, die für die zelluläre Identität wichtig sind“, sagte Elisa Kreibich, Ph.D. Student in der Krebs-Gruppe und Erstautor der Studie, die jetzt in veröffentlicht wurde Molekulare Zelle.

„Indem wir unsere Messungen auf der Ebene einzelner Moleküle durchführen, können wir die Verbindungen und Wechselwirkungen zwischen den Ebenen der Genregulation in einer Zelle herausfinden“, fügte Krebs hinzu. „Während die DNA-Methylierung oft als Marker für zelluläre Prozesse verwendet wurde, einschließlich solcher, die an Krebs beteiligt sind, zeigt unsere Studie, wo sie wirklich aufschlussreich und nicht nur indikativ ist.“