Krankheiten oder Fehlbildungen

Inversion von Genabschnitten verändert Zeitpunkt der Genexpression

Umlagerungen von DNA-Abschnitten im Genom können dazu führen, dass Gene zur falschen Zeit oder am falschen Ort aktiviert werden. Dadurch können Fehlbildungen oder Krankheiten entstehen.

Heat Map

Diese „Heat Map“ zeigt einen Teil der Struktur des Epha4-Locus. | V. Heinrich / MPIMG

Forschende des Max-Planck-Instituts für molekulare Genetik in Berlin haben die Auswirkungen von genomischen Umlagerungen auf die 3-D-Struktur der DNA untersucht. Sie beschreiben, dass Inversionen zwischen genarmen und weniger strukturierten genreichen Regionen zur Ausbildung von speziellen genomischen Strukturen, sogenannten architektonischen Streifen führen können. Diese korrelieren mit der Position von aktiven Enhancern und sind für die Genregulation von Bedeutung.

Dreidimensionale Struktur der DNA als Regulator der Genaktivität

Jede Zelle eines Organismus enthält die gesamte DNA. Aber ein Daumen sieht anders aus als ein Zeigefinger; eine Hand sieht anders aus als ein Fuß. Woher also weiß eine Zelle, wann im Laufe der Embryonalentwicklung sie wachsen und welches Gewebe sie entwickeln soll? Entscheidend dafür ist die Aktivität ihrer Gene, die über viele verschiedene Mechanismen und auf verschiedenen Ebenen gesteuert wird. Schon lange bekannt sind bestimmte Sequenzabschnitte mit regulatorischen Funktionen innerhalb der DNA, wie zum Beispiel Enhancer oder Promoter. Sie binden im Allgemeinen andere Moleküle (Transkriptionsfaktoren), die für das Ablesen der Gene erforderlich sind. Daneben spielt die dreidimensionale Struktur der DNA eine wichtige Rolle. Bereits recht gut untersuchte Strukturen sind die sogenannten TADs (vom Englischen „topologically associated domains“). Diese „Schlaufen“ im Genom können ein oder wenige Gene und deren regulatorische Elemente (Enhancer, Promoter) enthalten. TADs sind räumlich klar definiert, ihre Grenzen legen fest, welche Gene durch die enthaltenen Enhancer beeinflusst werden können, und welche nicht. Für ihre Entstehung fädelt sich der DNA-Strang schlaufenförmig durch ringförmige Proteinkomplexe (Kohäsin) und gleitet bis zu den sogenannten CTCF-Elementen durch den Ring hindurch. Hier wird die Bewegung gestoppt, wodurch die CTCF-Elemente die Grenzen der TADs darstellen. Aber die Grenzen gelten nur in eine Richtung. Kommt das Kohäsin von der entgegengesetzten Seite oder wird das CTCF umgedreht, gleitet der Ring darüber hinweg und die Stoppfunktion entfällt an dieser Stelle.

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Aufbau des Epha4-Locus

„Aber nicht alle Abschnitte im Genom sind klar in TADs unterteilt“, erklärt Stefan Mundlos, Leiter der Forschungsgruppe Entwicklung & Krankheit am Berliner Max-Planck-Institut für molekulare Genetik. „Neben den TADs finden wir auch Abschnitte im Genom, in denen zahlreiche Gene dicht beieinander liegen, ohne dass die DNA hier definierte 3-D-Strukturen ausbildet, wie wir sie von den TADs kennen.“ Mundlos ist Humangenetiker. Er interessiert sich vor allem dafür, wie unterschiedliche Veränderungen im Genom angeborene Fehlbildungen oder Erkrankungen wie Krebs verursachen können. In den letzten Jahren hat er die Ausbildung der TADs untersucht, um herauszufinden, welche Folgen es haben kann, wenn die definierten Grenzen beispielsweise durch angeborene Mutationen verschoben werden. Jetzt hat sich sein Team gemeinsam mit den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Abteilung Bioinformatik mit dem Epha4-Locus beschäftigt. Dies ist eine Region im Genom, die zahlreiche unterschiedliche Entwicklungsgene enthält. Bei der Untersuchung der dreidimensionalen Struktur dieser Region konnten die Forscherinnen und Forscher zeigen, dass sich drei Gene (Epha4, Pax3, Pinc) in klar definierten TADs befinden. Zwischen den Epha4- und Pinc-TADs liegt jedoch ein längerer DNA-Abschnitt mit zahlreichen weiteren Genen, der keine klare Struktur aufweist.

Inversion von Genabschnitten verändert Zeitpunkt der Genexpression

Die Forscherinnen und Forscher wollten wissen, welche funktionellen Auswirkungen genomische Veränderungen in diesem Bereich haben. Dafür wurden vier unterschiedlich lange Abschnitte aus der DNA herausgeschnitten und an der gleichen Stelle, aber in umgekehrter Richtung wieder eingesetzt (invertiert). Die Inversionen begannen alle an der gleichen Stelle bei einem Enhancer innerhalb der Epha4-TAD, der große Bedeutung für die Entwicklung der Gliedmaßen hat und umfassten das CTCF-Element an diesem Ende der TAD. Sie endeten jeweils unterschiedlich vor vier verschiedenen Genen innerhalb der genreichen Region. Das Team konzentrierte sich auf das Entwicklungsgeschehen am Tag 11,5 der Entwicklung von Mäusen. Im unveränderten Embryo ist zu diesem Zeitpunkt das Epha4-Gen aktiv, während die übrigen vier untersuchten Gene inaktiv sind. In Mausembryonen mit den veränderten Genomabschnitten konnten die Forscherinnen und Forscher jedoch zeigen, dass in dem veränderten Bereich bereits am Tag 11,5 die Gene aktiviert wurden, die durch die Inversion in die Nähe des Epha4-Enhancers gebracht worden waren. Bei den Inversionen 1 und 2 entwickelten die Mäuse darüber hinaus eine sogenannte Polydaktylie, das heißt, sie bekamen mehr als fünf Zehen an den Gliedmaßen. „Wir vermuten, dass dafür die Aktivierung des Ihh-Gens verantwortlich ist, welches mit zu den Genen gehört, die durch die Inversion in die Nähe des Enhancers gelangt sind“, erklärt Mundlos. „Ihh ist von großer Bedeutung für die Entstehung der Gliedmaßen, seine Aktivierung erfolgt aber normalerweise erst später im Entwicklungsgeschehen. Wird es vor dem Tag 12,5 aktiviert, kann es zur Ausbildung überzähliger Finger bzw. Zehen führen.“