Wie Promotoren vorgeben, wo Gene enden

Jedes Gen in unserer DNA hat einen Anfang und ein Ende. Die richtige Definition der Gen-Enden ist für die Produktion funktioneller Proteine ​​von entscheidender Bedeutung. Es wurde viel Forschung betrieben, um herauszufinden, was wann, wo und an welcher Stelle der DNA ein Gen „beginnt“. Aber wo ein Gen endet, ist eine andere Geschichte – man geht davon aus, dass die Auswahl der Transkriptionsterminationsstellen von nachgeschalteten Elementen und extrinsischen Faktoren abhängt.

In ihrer neuesten Studie, die in der Zeitschrift veröffentlicht wurde ZelleForscher vom Max-Planck-Institut für Immunbiologie und Epigenetik kamen zu der überraschenden Entdeckung, dass bei den meisten unserer Gene der Ort, an dem die Transkription beginnt, den Ort des Endes der Transkription bestimmt. Dieses Phänomen ist speziesübergreifend gut konserviert und bestimmt die mRNA-Endstellen gleich zu Beginn der Transkription und spielt eine entscheidende Rolle für die Zellidentität und -funktionalität.

Alle Zellen eines Organismus enthalten eine identische DNA-Sequenz. Was die Identität und Funktion einzelner Zellen und Gewebe bestimmt, ist der Satz von Genen, die an einem bestimmten Ort und zu einem bestimmten Zeitpunkt aktiv sind. Diese aktiven Gene werden von der DNA-Vorlage in verschiedene Boten-RNA-Moleküle (mRNA) transkribiert und kodieren die Proteine, die die Zelle zum Funktionieren benötigt.

An bestimmten Stellen, sogenannten Promotoren, beginnt eine komplexe molekulare Maschinerie, DNA-Sequenzen in mRNA zu transkribieren. Interessanterweise enthalten die meisten Gene mehrere mögliche Stellen, an denen die Transkription beginnen oder enden kann. Das bedeutet, dass die mRNAs für jedes Gen je nach Start- oder Terminationsstelle unterschiedlich sein können. Die Expression eines Gens in verschiedenen Varianten erweitert die Vielfalt und Funktionalität des Genoms um ein Vielfaches. Gleichzeitig wird die Erforschung des Genoms dadurch noch komplexer.

RNA-Schnappschüsse von Anfang bis Ende

Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Immunbiologie und Epigenetik in Freiburg wollten wissen, wie viele verschiedene Start- und Endstellen jedes Gen in welcher Kombination verwendet und ob die Kombinationen unter verschiedenen Bedingungen unterschiedlich sind. „Das technische Problem bei der Beantwortung dieser Frage besteht darin, dass wir jedes einzelne mRNA-Molekül aller Gene vom Anfang bis zum Ende lesen müssen. Das ist eine gewaltige Aufgabe, die noch nie zuvor unternommen wurde“, sagt Valérie Hilgers, eine Forschungsgruppe Leiter am MPI-IE.

Um die einzelnen mRNAs auszulesen, nutzten die Wissenschaftler eine optimierte Sequenzierungstechnologie der nächsten Generation. Bei der konventionellen Short-Read-Sequenzierung wird jede mRNA in kürzere Fragmente zerlegt, die amplifiziert und dann sequenziert werden, um den Read zu erzeugen. Anschließend werden bioinformatische Techniken eingesetzt, um die Messwerte wie bei einem Puzzle zu einer kontinuierlichen Abfolge zusammenzusetzen.

Für vollständige mRNA-Informationen des gesamten Genoms in mehreren Drosophila-Geweben, einschließlich des Gehirns, arbeiteten die Hilgers mit der Deep Sequencing Facility des MPI zusammen, um spezifische Long-Read-Sequenzierungstechnologien zu optimieren. „Long-Read-Sequenzierung ermöglicht den Abruf von viel längeren Sequenzierungs-Reads als die weit verbreitete Standard-Sequenzierung. Allerdings mussten wir diese Technologie sogar optimieren und die typische Read-Länge um ein Vielfaches erhöhen, um mRNA-Informationen in voller Länge in unseren verschiedenen Modellsystemen zu erhalten.“ „, sagt Carlos Alfonso-Gonzalez, der Erstautor der Publikation.

Zusätzlich zu Drosophila hat das Hilgers-Labor auch ein menschliches Modell des Nervensystems in seine Studie einbezogen: zerebrale Organoide – „Mini-Gehirne“, die in einer Schale aus induzierten pluripotenten Stammzellen kultiviert wurden. Die Transkriptionsendstellen wurden zu Beginn der Transkription vorab festgelegt.

Die gesammelten Daten, die jede mRNA im gesamten Molekülmaßstab darstellen, geben beispiellose Einblicke in die Transkription einzelner Gene. „Wir haben festgestellt, dass Startstellen (TSSs) und Endstellen (TESs) nicht zufällig miteinander kombiniert werden, sondern oft „Transkriptionsstartstellen sind spezifisch mit unterschiedlichen Transkriptionsendstellen verknüpft“, sagt Hilgers.

Dieser Zusammenhang ist tatsächlich kausal: In Eierstöcken beispielsweise übersteuert die künstliche Aktivierung eines TSS, das normalerweise nur im Gehirn verwendet wird, das normale TES und induziert künstlich die Verwendung des Gehirn-TES. Dies zeigt die entscheidende Rolle von TSS bei der Gestaltung der RNA-Landschaft, die für jedes Gewebe einzigartig ist, und dadurch bei der Beeinflussung der Gewebeidentität.

Die Dominanz des Promotors steuert die RNA-Diversität, die Genfunktion und die Gewebeidentität

Ein Phänomen stach jedoch besonders hervor. „Bestimmte TSSs zeigen unerwartetes Dominanzverhalten. Sie überstimmen herkömmliche Signale, um die Transkription zu beenden, verdrängen andere TSSs und bewirken die Selektion unterschiedlicher TESs. Dementsprechend haben wir sie dominante Promotoren genannt“, sagt Alfonso-Gonzalez.

Darüber hinaus stellte das Team fest, dass die Interaktionen zwischen diesen dominanten Promotoren und ihren zugehörigen Genenden durch unterschiedliche epigenetische Signaturen gesteuert werden. Wichtig ist, dass die Ergebnisse in Drosophila-Gehirnzellen in menschlichen Gehirnorganoiden reproduziert werden konnten, was zeigt, dass die Promotordominanz ein konservierter, möglicherweise universeller Mechanismus zur Regulierung der Produktion funktioneller Proteine ​​und der Funktionalität der Zellen ist.

Welche physiologische Relevanz könnte dieser neuartige Mechanismus haben? Durch eine eingehende Sequenzkonservierungsanalyse entdeckten die Freiburger Forscher, dass TSSs und TESs eine Koevolution aufweisen: Über Millionen von Jahren der Evolution zwischen Arten gingen einzelne Nukleotidveränderungen am Genanfang an dominanten Promotoren mit Veränderungen am entsprechenden Genende einher .

„Wir interpretieren diese Beobachtung als einen Schub durch die Evolution, um die Interaktion zwischen beiden Enden des Gens aufrechtzuerhalten, was eine erhebliche Bedeutung dieser Kopplungen für die Tierfitness impliziert“, sagt Valérie Hilgers.