Entwicklungsbiologie

Genomstrukturen entstehen neu

Forscher haben herausgefunden, dass die räumliche Organisation des Genoms nicht vererbt wird, sondern erstmals im Embryo entsteht.

Einzelne embyonale Zellen werden durch ihre Zellmembranen (grün) dargestellt. Der kleine innere Kreis zeigt die Kernlamelle, in dem sich das Genom befestigt. © Helmholtz Zentrum München

Die Architektur von DNA- und Eiweißmolekülen im Zellkern reguliert frühe Phasen der Embryonalentwicklung. Forschende des Helmholtz Zentrums München und der LMU in Kollaboration mit dem Hubrecht Institut in Utrecht zeigen jetzt, dass solche Strukturen nicht vererbt werden, sondern neu entstehen. Bei diesem Prozess spielen epigenetische Mechanismen eine Rolle. Ihre Studie ist im Fachmagazin Nature erschienen.

Bei Säugetieren beginnt die Embryogenese mit der Befruchtung: Ein Spermium dringt in die Eizelle ein. Diese beiden Zellen verschmelzen, und eine Zelle mit doppeltem, sprich diploidem Chromosomensatz entsteht. Diese sogenannte Zygote oder Ein-Zell-Embryo teilt sich und erreicht später das Zwei-, Vier-, und das 16-Zell-Stadium. Es kommt zu umfassenden Neuordnungen des Erbguts. Details zu diesem Schritt waren bisher nicht bekannt, konnten aber jetzt entschlüsselt werden.

Dreidimensionale Strukturen des Genoms werden nicht vererbt
„In Zusammenarbeit mit Jop Kind vom Hubrecht Institute Utrecht haben wir erstmals die Technik DamID* bei Säugetierembryos eingesetzt“, berichtet Prof. Dr. Maria Elena Torres-Padilla, die die Studie co-leitete. Sie ist Direktorin des Instituts für Epigenetik und Stammzellen (IES) am Helmholtz Zentrum München und Professorin für Stammzellbiologie an der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU). Mit DamID erzeugten die Forschenden Wechselwirkungen der DNA mit Kernlamellen, der Lamina, einem Geflecht an der Innenseite des Zellkerns. Dieser molekulare Fingerabdruck ermöglicht es ihnen, festzustellen, wie sich das Genom im dreidimensionalen Raum der Zelle anordnet.

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Torres-Padilla war von den Ergebnissen ihrer Studie überrascht: „Wir fanden heraus, dass die räumliche Organisation des Genoms nicht vererbt wird, sondern erstmals im Embryo entsteht.“ Zu Beginn der Embryonalentwicklung, sprich nach der Verschmelzung der zwei Keimzellen, bildeten sich charakteristische, dreidimensionale Komplexe des mütterlichen bzw. väterlichen Genoms mit speziellen Eiweißen, den LADs**. Sie waren im Ei (nach dem Acht-Zell-Stadium) nicht mehr nachweisbar. Offensichtlich findet die räumliche Organisation nur in einem kurzen, frühen Zeitfenster während der Entwicklung statt.

Die räumliche Anordnung beeinflussen
Außerdem fanden die Wissenschaftler heraus, dass dieser Vorgang über epigenetische Mechanismen*** gesteuert wird. Die Anwesenheit eines speziellen Gens (Kdm5b) verhinderte beispielsweise, dass Komplexe zwischen dem väterlichen Erbgut und den Kernlamellen entstanden. Torres-Padilla: „Mit dieser neuen Methode haben wir künftig Möglichkeiten, Zellen im frühen Embryo von Säugetieren vollständiger zu erforschen.“ Sie hofft, dass Studien dieser Art zu einem tieferen Verständnis epigenetischer Vorgänge führen; diese seien auch bei Menschen von großer Bedeutung. Zahlreiche Erkrankungen wie Typ-2-Diabetes, die Alzheimer-Krankheit oder Krebserkrankungen lassen sich nämlich nicht allein mit genetischen Faktoren und Umwelteinflüssen erklären. Hier könnte der Epigenetik eine wichtige Rolle zukommen.

Publikation:
Borsos M, Perricone SM et al. (2019): Genome-lamina interactions are established de novo in the early mouse embryo. Nature. DOI: 10.1038/s41586-019-1233-0

Ergänzende Erläuterungen:
* DamID (DNA adenine methyltransferase identification, deutsch DNA-Adenin-Methyltransferase-Identifizierung) ist ein molekularbiologisches Protokoll, mit dem man herausfinden kann, an welchen Stellen im Erbgut bestimmte Proteine (Eiweiße) binden.

** Die sogenannten Lamina-associated domains (LAD) sind spezielle Komplexe aus DNA-Molekülen und Proteinen (Eiweißen) im Zellkern.

*** Unter Epigenetik versteht man verschiedene Mechanismen, die Aktivität von Genen zu beeinflussen, ohne dass sich die Basenabfolge (Sequenz) im Erbgut ändert.

Quelle: Helmholtz Zentrum München

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