Das Team entwickelt ein Toolkit zur Bearbeitung des Epigenoms, um Genregulationsmechanismen zu analysieren

Zu verstehen, wie Gene auf molekularer Ebene reguliert werden, ist eine zentrale Herausforderung in der modernen Biologie. Dieser komplexe Mechanismus beruht hauptsächlich auf der Wechselwirkung zwischen Proteinen, sogenannten Transkriptionsfaktoren, regulatorischen Regionen der DNA und epigenetischen Modifikationen, also chemischen Veränderungen, die die Struktur des Chromatins verändern. Der Satz epigenetischer Modifikationen des Genoms einer Zelle wird als Epigenom bezeichnet.

In einer gerade veröffentlichten Studie Natürliche GenetikWissenschaftler der Hackett-Gruppe am EMBL Rom haben eine modulare Epigenom-Editierungsplattform entwickelt, ein System zur Programmierung epigenetischer Modifikationen überall im Genom. Das System ermöglicht es Wissenschaftlern, den Einfluss jeder Chromatinmodifikation auf die Transkription zu untersuchen, den Mechanismus, durch den Gene in mRNA kopiert werden, um die Proteinsynthese voranzutreiben.

Es wird angenommen, dass Chromatinmodifikationen zur Regulierung wichtiger biologischer Prozesse wie Entwicklung, Reaktion auf Umweltsignale und Krankheiten beitragen.

Um die Auswirkungen spezifischer Chromatinmarkierungen auf die Genregulation zu verstehen, haben frühere Studien ihre Verteilung im Genom gesunder und kranker Zelltypen kartiert. Durch die Kombination dieser Daten mit der Genexpressionsanalyse und den bekannten Auswirkungen der Störung bestimmter Gene haben Wissenschaftler diesen Chromatinmarkierungen Funktionen zugewiesen.

Es hat sich jedoch als schwierig erwiesen, den kausalen Zusammenhang zwischen Chromatinmarkierungen und der Genregulation zu bestimmen. Die Herausforderung besteht darin, die einzelnen Beiträge der vielen komplexen Faktoren zu analysieren, die an einer solchen Regulierung beteiligt sind: Chromatinmarkierungen, Transkriptionsfaktoren und regulatorische DNA-Sequenzen.

Wissenschaftler der Hackett-Gruppe haben ein modulares Epigenom-Editierungssystem entwickelt, um neun biologisch wichtige Chromatinmarkierungen präzise in jede gewünschte Region des Genoms zu programmieren. Das System basiert auf CRISPR, einer weit verbreiteten Genombearbeitungstechnologie, die es Forschern ermöglicht, Änderungen an bestimmten Stellen in der DNA mit hoher Präzision und Genauigkeit vorzunehmen.

Solche präzisen Störungen ermöglichten es ihnen, die Ursache-Folge-Beziehungen zwischen Chromatinmarkierungen und ihren biologischen Auswirkungen sorgfältig zu analysieren. Die Wissenschaftler entwarfen und nutzten außerdem ein „Reportersystem“, das es ihnen ermöglichte, Veränderungen in der Genexpression auf Einzelzellebene zu messen und zu verstehen, wie Veränderungen in der DNA-Sequenz die Auswirkung jeder Chromatinmarkierung beeinflussen. Ihre Ergebnisse offenbaren die kausale Rolle einer Reihe wichtiger Chromatinmarkierungen bei der Genregulation.

Forscher entdeckten beispielsweise eine neue Rolle für H3K4me3, eine Chromatinmarkierung, von der zuvor angenommen wurde, dass sie aus der Transkription resultiert. Sie beobachteten, dass H3K4me3 tatsächlich allein die Transkription steigern kann, wenn es künstlich an bestimmten Stellen der DNA hinzugefügt wird.

„Dies ist ein äußerst aufregendes und unerwartetes Ergebnis, das all unseren Erwartungen widerspricht“, sagte Cristina Policarpi, Postdoktorandin in der Hackett-Gruppe und leitende Wissenschaftlerin der Studie. „Unsere Daten deuten auf ein komplexes regulatorisches Netzwerk hin, in dem mehrere treibende Faktoren zusammenwirken, um die Genexpressionsniveaus in einer bestimmten Zelle zu modulieren. Zu diesen Faktoren gehören die bereits vorhandene Chromatinstruktur, die zugrunde liegende DNA-Sequenz und die Position im Genom.“

Hackett und seine Kollegen erforschen derzeit Möglichkeiten, diese Technologie durch ein vielversprechendes Startup zu nutzen. Der nächste Schritt wird darin bestehen, diese Erkenntnisse zu bestätigen und zu erweitern, indem Gene in verschiedenen Zelltypen und in großem Maßstab gezielt untersucht werden. Wie Chromatinmarkierungen die Transkription durch Gendiversität und nachgeschaltete Mechanismen beeinflussen, muss ebenfalls noch geklärt werden.

„Unsere modulare epigenetische Bearbeitungs-Toolbox stellt einen neuen experimentellen Ansatz zur Analyse der Wechselbeziehungen zwischen dem Genom und dem Epigenom dar“, sagte Jamie Hackett, Gruppenleiter am EMBL Rom. „Das System könnte in Zukunft genutzt werden, um die Bedeutung epigenomischer Veränderungen für die Beeinflussung der Genaktivität während der menschlichen Entwicklung und Krankheit genauer zu verstehen.“

„Andererseits eröffnet die Technologie auch die Möglichkeit, gewünschte Genexpressionsniveaus auf hochgradig anpassbare Weise zu programmieren. Dies ist ein spannender Weg für präzise Gesundheitsanwendungen und könnte sich im Zusammenhang mit Krankheiten als nützlich erweisen.“