Neue Arbeit enthüllt Mechanismen, die „springende Gene“ steuern

Eine internationale Gemeinschaftsforschung unter der Leitung von Akihisa Osakabe und Yoshimasa Takizawa von der Universität Tokio hat die molekularen Mechanismen in der Gartenkresse (Arabidopsis thaliana) aufgeklärt, durch die das Protein DDM1 (Decreased DNA Methylation 1) die Transkription „springender Gene“ verhindert.

Das DDM1-Protein macht springende Gene für die Anbringung transkriptionsunterdrückender chemischer Markierungen zugänglicher. Da eine Variante dieses Proteins beim Menschen existiert, wirft diese Entdeckung Licht auf die genetischen Bedingungen, die durch solche „springenden Gen“-Mutationen verursacht werden. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift veröffentlicht Naturkommunikation.

Entwirrte DNA wird oft als String bezeichnet. In einer Zelle ähnelt es allerdings eher einem Fadenknäuel, allerdings sind die Schlingenmuster deutlich komplexer. Die kleinste Einheit wird Nukleosom genannt. Es besteht aus einem DNA-Abschnitt, der um ein Proteingerüst (Histon) gewickelt ist.

Transposons, Gene, die an verschiedene Stellen im Genom „springen“ können, sind in Nukleosomen versteckt, was es für die Zelle schwierig macht, chemische Markierungen zu hinterlassen, die die Transposon-Transkription unterdrücken. DDM1 ist ein Protein, von dem bekannt ist, dass es diese unterdrückenden chemischen Markierungen aufrechterhält. Es ist jedoch noch nicht klar, wie es auf Transposonen zugreifen kann, wenn diese sorgfältig versteckt werden.

„Springende Gene sind faszinierend“, sagt Osakabe, Erstautorin der Studie, „weil sie erhebliche Veränderungen im Genom verursachen können, sowohl gute als auch schlechte.“ Die Untersuchung, wie Proteine ​​wie DDM1 diese Gene verwalten, hilft uns, die grundlegenden Mechanismen des Lebens zu verstehen, und könnte wichtige praktische Anwendungen haben. »

Die Forscher verwendeten Kryo-Elektronenmikroskopie, eine Technik zur Aufnahme von Bildern im nahezu atomaren Maßstab. Dadurch konnten sie die Struktur des DDM1-Proteins und der DNA im Nukleosom beobachten.

„Wir waren sehr gespannt, die detaillierten Strukturen von DDM1 und dem Nukleosom zu entdecken“, erinnert sich Osakabe. „Eine der Überraschungen war, wie DDM1 das Nukleosom öffnet. Es war schwierig, diese Strukturen zu erfassen, aber die Ergebnisse machten die harte Arbeit lohnenswert. »

Die hochauflösenden Bilder zeigten die genauen Positionen, an denen DDM1 im Nukleosom an DNA bindet. Dadurch wurde die spezifische Bindungsstelle, die normalerweise das Nukleosom verschließt, „flexibler“ und öffnete sich, um die Ablagerung unterdrückender chemischer Markierungen zu ermöglichen und so die Transposon-Transkription zu verhindern.

Dieses scheinbar unbedeutende Detail könnte der Beginn großer Verbesserungen sein.

„Die menschliche Version von DDM1, HELLS genannt, funktioniert auf ähnliche Weise“, sagt Osakabe. „Langfristig könnten solche Entdeckungen zu neuen Behandlungsmethoden für genetisch bedingte Erkrankungen des Menschen führen, die durch ähnliche Gene verursacht werden. Dieses neue Wissen ermöglicht es uns auch, besser zu verstehen, wie Pflanzen und andere Organismen ihre DNA steuern, was unsere Fähigkeit verbessern könnte, bessere Nutzpflanzen anzubauen oder neue Biotechnologien zu entwickeln. »