Supercomputer ermitteln die Genaktivität

Aktivität menschlicher Gene voraussagen

Genetisch identische Schwesterzellen verhalten sich nicht immer gleich. Bis anhin schrieb man dies zufälligen molekularen Reaktionen zu.

Nun haben Systembiologen der Universität Zürich eine bisher übersehene Auswirkung der räumlichen Trennung in Zellkern und Zellplasma entdeckt. Gestützt auf ihre Erkenntnis können sie erstmals anhand von Supercomputern die Genaktivität in einzelnen menschlichen Zellen voraussagen.

Genetisch identische Zellen verhalten sich nicht immer gleich. Dafür verantwortlich, so die akzeptierte These, sind zufällige molekulare Prozesse – bekannt als zufälliges Rauschen. Diese Annahme wurde über Jahrzehnte durch zahlreiche Experimente und theoretische Modelle untermauert. Nun haben Systembiologen der Universität Zürich eine folgenschwere Entdeckung gemacht: Die räumliche Trennung der menschlichen Zelle in Zellkern und Zellplasma schafft eine Art passiven Filter. Dieser unterdrückt das Zufallsrauschen und ermöglicht es menschlichen Zellen, die Aktivität einzelner Gene genau zu steuern.

Mehr Zufälligkeit im Zellkern entdeckt
Obwohl die Beobachtungen von Lucas Pelkmans und seinem Team anfänglich der bisherigen Lehrmeinung widersprachen, zeigte sich ihnen auf den zweiten Blick die fehlende Erklärung. Während der Aktivierung von Genen wird die in der DNA gespeicherte genetische Information in Boten-RNA abgeschrieben. „Wir konnten die Boten-RNA im Zellplasma perfekt vorhersagen und fanden im Kern weit mehr Zufälligkeit“, erklärt Nico Battich, Mitautor und Doktorand am Institut für Molekulare Biologie. „Man könnte sich den Zellkern als einen lecken Eimer vorstellen, der die Boten-RNA einerseits zurückhält, aber andererseits ihren verzögerten und gleichmäßigen Ausfluss ermöglicht. Dadurch wird die Aktivität von Genen im Zellplasma äußerst robust gegenüber dem Zufallsrauschen während der Herstellung der Boten-RNA im Zellkern.“

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Kleinste physiologische Details ersichtlich
Dank ihrer neuen Methode konnten die Zürcher Forscher als Erste so viele menschliche Gene untersuchen. Es ist ihnen gelungen, jedes einzelne Molekül zu erkennen, das von aktiven Genen produziert wird. „Früher konnte man nur wenige Gene untersuchen und oft mussten Forscher diese gentechnisch verändern“, sagt Doktorand Thomas Stoeger. „Wir erkannten, dass sich die Aktivität von Genen zwischen einzelnen Zellen stark unterscheidet, doch gleichzeitig konnten wir die Aktivität für jede einzelne Zelle vorhersagen, indem wir mit mikroskopischen Farbstoffen kleinste physiologische Details der Zellen sichtbar machten.“

Die Erkenntnisse der Zürcher Grundlagenforscher können in die verschiedensten Gebiete einfließen: „Beispielsweise in die Evolutionsbiologie, in der die räumliche Unterteilung von Zellen ein Meilenstein zur Entwicklung intelligenter Lebensformen markiert. Ebenso in die Biotechnologie, wo eine genaue Steuerung künstlicher Gene gewünscht ist, bis hin zur Humanmedizin – sollte es gelingen vorherzusagen, welche einzelnen bösartigen Zellen auf Medikamente ansprechen“, schließt Prof. Lucas Pelkmans.

Literatur:
Nico Battich, Thomas Stoeger, Lucas Pelkmans. Control of Transcript Variability in Single Mammalian Cells. Cell. December 17, 2015. Doi: 10.1016/j.cell.2015.11.018.

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