Die neue Epigenome Editing Platform ermöglicht die präzise Programmierung epigenetischer Modifikationen

Forscher haben eine neue Genombearbeitungsplattform entwickelt, die eine präzise Manipulation von Chromatinmarkierungen ermöglicht, deren direkten Einfluss auf die Genexpression aufdeckt und das bisherige Verständnis der Genregulationsmechanismen in Frage stellt.

Eine Studie von Hacketts Gruppe am EMBL Rom hat zur Entwicklung einer leistungsstarken Genbearbeitungstechnik geführt, die die Möglichkeit eröffnet, Chromatinmodifikationen präzise zu programmieren.

Zu verstehen, wie Gene auf molekularer Ebene reguliert werden, ist eine große Herausforderung in der modernen Biologie. Dieser komplexe Mechanismus wird hauptsächlich durch die Interaktion zwischen Proteinen, sogenannten Transkriptionsfaktoren, angetrieben. DNA Regulatorische Regionen und epigenetische Modifikationen – chemische Veränderungen, die die Struktur des Chromatins verändern. Die Ansammlung epigenetischer Veränderungen am Genom einer Zelle wird als Epigenom bezeichnet.

Fortschritte in der Epigenombearbeitung

In einer heute (9. Mai) veröffentlichten Studie in NaturgenetikWissenschaftler aus Hacketts Gruppe am European Molecular Biology Laboratory (EMBL) in Rom haben eine modulare Genom-Editierungsplattform entwickelt – ein System zur Programmierung epigenetischer Modifikationen überall im Genom. Das System ermöglicht es Wissenschaftlern, die Wirkung jeder Chromatinmodifikation auf die Transkription zu untersuchen, den Mechanismus, durch den Gene in mRNA transkribiert werden, um die Proteinsynthese zu katalysieren.

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

Kreative Illustration des Epigenetic Editing Toolkit: Jedes Gebäude repräsentiert den epigenetischen Zustand eines einzelnen Gens (dunkle Fenster sind stille Gene, helle Fenster sind aktive Gene). Der Hebel demonstriert das epigenetische Editierungssystem, das die De-novo-Ablagerung von Chromatinmarkierungen an jeder genomischen Stelle ermöglicht. Marzia Monafo

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 spezifischer Gene haben Wissenschaftler diesen Chromatinmarkierungen Funktionen zugeschrieben.

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.

Durchbruch in der Epigenom-Editing-Technologie

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

Solche subtilen Störungen ermöglichten es ihnen, Ursache-Wirkungs-Beziehungen zwischen Chromatinmarkierungen und ihren biologischen Wirkungen 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 sich Veränderungen in der DNA-Sequenz auf die Wirkung jeder Chromatinmarkierung auswirken. Ihre Ergebnisse zeigen die kausale Rolle einer Reihe von Chromatinmarkierungen, die für die Genregulation wichtig sind.

Wichtigste Erkenntnisse und zukünftige Richtungen

Forscher haben beispielsweise eine neue Rolle für H3K4me3 entdeckt, eine Chromatinmarkierung, von der zuvor angenommen wurde, dass sie eine Folge der Transkription ist. Sie stellten fest, dass H3K4me3 tatsächlich allein die Transkription steigern kann, wenn es künstlich an bestimmten Stellen in der DNA hinzugefügt wird.

„Das war ein sehr aufregendes und unerwartetes Ergebnis, das all unseren Erwartungen widersprach“, sagte Christina Policarpi, Postdoktorandin in Hacketts Gruppe und leitende Wissenschaftlerin der Studie. „Unsere Daten deuten auf ein komplexes regulatorisches Netzwerk hin, in dem mehrere steuernde Faktoren zusammenwirken, um die Genexpressionsniveaus in einer bestimmten Zelle zu modulieren. Zu diesen Faktoren gehören die bereits vorhandene Struktur des Chromatins, die zugrunde liegende DNA-Sequenz und die Position im Genom.

Mögliche Anwendungen und zukünftige Forschung

Hackett und seine Kollegen erforschen derzeit Möglichkeiten, diese Technologie durch ein vielversprechendes Startup-Projekt nutzbar zu machen. Der nächste Schritt wird darin bestehen, diese Schlussfolgerungen zu bestätigen und zu erweitern, indem Gene in verschiedenen Zelltypen und in großem Maßstab gezielt eingesetzt werden. Wie sich Chromatinmarkierungen über die Gendiversität und nachgeschaltete Mechanismen auf die Transkription auswirken, muss noch geklärt werden.

„Unser modulares epigenetisches Bearbeitungs-Toolkit 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 bei der Beeinflussung der Genaktivität während der Entwicklung und bei menschlichen Krankheiten genauer zu verstehen. Andererseits eröffnet diese Technologie auch die Möglichkeit, gewünschte Genexpressionsniveaus in hohem Maße zu programmieren.“ Dies ist ein spannender Weg für Anwendungen.“ Genaue gesundheitliche Vorteile können im Krankheitsfall nützlich sein.

Referenz: „Stammgenombearbeitung erfasst die kontextabhängige Lehrfunktion von Chromatinmodifikationen“ 9. Mai 2024, Naturgenetik.
doi: 10.1038/s41588-024-01706-s