Wissenschaftler konstruieren synthetische DNA, um „Architekten“-Gene zu untersuchen

Forscher der New York University haben künstliche geschaffen Hox Gene – die planen und lenken, wohin Zellen gehen, um Gewebe oder Organe zu entwickeln – unter Verwendung neuer synthetischer DNA-Technologien und Gentechnik in Stammzellen.

Ihre Ergebnisse, veröffentlicht in Wissenschaftbestätigen Sie, wie Cluster von Hox Gene helfen Zellen zu lernen und sich zu merken, wo sie sich im Körper befinden.

Hox Gene als Baumeister des Körpers

Fast alle Tiere – von Menschen über Vögel bis hin zu Fischen – haben eine Vorder-Hinterachse oder eine Linie, die vom Kopf bis zum Schwanz verläuft. Während der Entwicklung fungieren Hox-Gene als Architekten, die den Plan bestimmen, wo Zellen entlang der Achse verlaufen und aus welchen Körperteilen sie bestehen. Hox Gene sorgen dafür, dass sich Organe und Gewebe an der richtigen Stelle entwickeln, den Brustkorb formen oder Flügel in die richtige anatomische Position bringen.

Wenn Hox Gene versagen durch Fehlregulation oder Mutation, Zellen können verloren gehen und bei einigen Krebsarten, Geburtsfehlern und Fehlgeburten eine Rolle spielen.

„Ich glaube nicht, dass wir Entwicklung oder Krankheit verstehen können, ohne zu verstehen Hox Gene“, sagte Esteban Mazzoni, außerordentlicher Professor für Biologie an der NYU und Mitautor der Studie.

Trotz ihrer Bedeutung für die Entwicklung, Hox Gene sind schwer zu untersuchen. Sie sind eng in Clustern organisiert, mit nur Hox Gene in dem DNA-Stück, in dem sie gefunden werden, und keine anderen Gene, die sie umgeben (was Wissenschaftler eine „Genwüste“ nennen). Und während viele Teile des Genoms sich wiederholende Elemente enthalten, Hox Cluster haben keine solchen Wiederholungen. Diese Faktoren machen sie einzigartig, aber mit herkömmlicher Genbearbeitung schwierig zu untersuchen, ohne benachbarte zu beeinträchtigen Hox Gene.

Neuanfang mit synthetischer DNA

Könnten Wissenschaftler künstlich erschaffen Hox Gene, um sie besser zu untersuchen, anstatt sich auf die Genbearbeitung zu verlassen?

„Wir sind sehr gut darin, das Genom zu lesen oder DNA zu sequenzieren. Und dank CRISPR können wir kleine Änderungen am Genom vornehmen. Aber wir sind immer noch nicht gut darin, von Grund auf neu zu schreiben“, erklärte Mazzoni. „Das Schreiben oder Erstellen neuer Teile des Genoms könnte uns helfen, die Angemessenheit zu testen – in diesem Fall herauszufinden, welche kleinste Einheit des Genoms notwendig ist, damit eine Zelle weiß, wo sie sich im Körper befindet.“

Mazzoni tat sich mit Jef Boeke zusammen, Direktor des Institute of System Genetics an der NYU Grossman School of Medicine, der für seine Arbeit zur Synthese eines synthetischen Hefegenoms bekannt ist. Boekes Labor wollte diese Technologie auf Säugetierzellen übertragen.

Der Doktorand Sudarshan Pinglay in Boekes Labor fabrizierte lange Stränge synthetischer DNA, indem er DNA aus kopierte Hox Gene von Ratten. Die Forscher brachten die DNA dann an eine präzise Stelle innerhalb pluripotenter Stammzellen von Mäusen. Anhand der verschiedenen Arten konnten die Forscher zwischen der synthetischen Ratten-DNA und den natürlichen Zellen der Maus unterscheiden.

„Dr. Richard Feynman sagte bekanntlich: ‚Was ich nicht erschaffen kann, verstehe ich nicht.‘ Wir sind dem Verständnis jetzt einen Riesenschritt näher gekommen Hox“, sagte Boeke, der auch Professor für Biochemie und molekulare Pharmakologie an der NYU Grossman und Mitautor der Studie ist.

Studieren Hox Cluster

Mit dem künstlichen Hox DNA in Maus-Stammzellen konnten die Forscher nun untersuchen, wie Hox Gene helfen Zellen zu lernen und sich zu merken, wo sie sich befinden. Bei Säugetieren Hox Cluster sind von regulatorischen Regionen umgeben, die kontrollieren, wie die Hox Gene werden aktiviert. Es war unbekannt, ob der Cluster allein oder der Cluster plus andere Elemente erforderlich waren, damit die Zellen lernen und sich merken können, wo sie sich befinden.

Die Forscher entdeckten, dass allein diese gendichten Cluster alle Informationen enthalten, die Zellen benötigen, um ein Positionssignal zu entschlüsseln und sich daran zu erinnern. Dies deutet darauf hin, dass die kompakte Natur von Hox Cluster helfen den Zellen dabei, ihren Standort zu ermitteln, was eine langjährige Hypothese bestätigt Hox Gene, die bisher schwer zu testen waren.

Die Schaffung von synthetischer DNA und künstlichen Hox Gene ebnet den Weg für zukünftige Forschungen zur Entwicklung von Tieren und Krankheiten des Menschen.

„Verschiedene Arten haben unterschiedliche Strukturen und Formen, von denen vieles davon abhängt, wie Hox Cluster werden ausgedrückt. Zum Beispiel ist eine Schlange ein langer Brustkorb ohne Gliedmaßen, während ein Schlittschuh keinen Brustkorb hat und nur aus Gliedmaßen besteht. Ein besseres Verständnis von Hox Cluster können uns helfen zu verstehen, wie diese Systeme angepasst und modifiziert werden, um verschiedene Tiere zu erzeugen“, sagte Mazzoni.

„Ganz allgemein wird diese synthetische DNA-Technologie, für die wir eine Art Fabrik gebaut haben, nützlich sein, um Krankheiten zu untersuchen, die genomisch kompliziert sind, und jetzt haben wir eine Methode, um viel genauere Modelle für sie herzustellen“, sagte Boeke.