Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Einblicke in die dunkle Seite des Genoms

24.07.2014

Wissenschaftler finden einen Weg, um stark redundante Teile des Erbguts zu untersuchen und erklären, wie Stammzellen ihr Genom schützen.

Beinahe die Hälfte unseres Erbguts besteht aus sich stark wiederholenden DNA-Sequenzen. Das macht es sehr schwierig, dessen Chromatin-Aufbau (DNA-Protein-Verbund) zu untersuchen. Meist werden diese Bereiche in genomweiten Studien ignoriert, weshalb Einblicke in diesen Teil des Erbguts bruchstückhaft bleiben.


Die Suv39h-Enzyme (Suv39h1/Suv39h2) sind selektiv an aktiven Retrotransposons angereichert, die etwa 2% aller repetitiven Elemente im Erbgut ausmachen.

J. Faber/MPI-IE mit Material von Wikipedia

Jetzt ist es Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Immunbiologie und Epigenetik (MPI-IE) in Freiburg gelungen, diese dunkle Seite des Erbguts zu untersuchen.

Ihre Analysen zeigen, dass mit den repetitiven DNA-Sequenzen verbundenes Heterochromatin notwendig ist, um potentiell Genom-schädigende Elemente zu unterdrücken. Dieser Mechanismus hilft Stammzellen, ihr Erbgut zu schützen. Damit ermöglicht die Studie zukünftige genomweite Analysen repetitiver Bereiche.

Nur 1% des menschlichen Genoms enthält Protein-kodierende Informationen. 99% enthalten nicht-kodierende und repetitive DNA-Sequenzen. DNA-Helix Verpackungsproteine (Histone) bilden einen Verbund, der Chromatin genannt wird und maßgeblich an der Genregulation beteiligt ist.

Es gibt zwei grundlegende Chromatin-Zustände: Euchromatin ist offen und zugänglich, so dass Gene aktiviert werden können. Heterochromatin dagegen ist geschlossen und unzugänglich, wodurch Gene abgeschaltet werden. Trotz großer Fortschritte in der Sequenziertechnologie blieb der repetitive Teil des Genoms aufgrund seiner Redundanz schwer zugänglich für Standardmethoden.

Chromatinstruktur und Genom-Regulation solcher Bereiche zu verstehen ist jedoch wichtig, da diese potenziell gefährliche Gen-Abschnitte enthalten, so genannte (Retro-)Transposons. Transposons, auch ‚springende Gene’ genannt, sind mobile genetische Einheiten, die sich vermehren und an verschiedenen Stellen im Genom einbauen, was zu Gendefekten führen kann. Die Fehlregulation von (Retro-)Transposons ist ein Kennzeichen unterschiedlicher Krebsarten.

Forscher um Prof. Dr. Thomas Jenuwein, Direktor am MPI-IE, untersuchten in Maus-Stammzellen diese Bereiche des Erbguts anhand von Heterochromatin-Faktoren. Dazu kartierten sie im gesamten Genom, wo das Heterochromatin-bildenden Enzym ‚Histon-Methyltransferase Suv39h’ und sein katalytischen Produkt vorkommen. Suv39h, eines der wichtigsten Heterochromatin-bildenden Enzyme, hängt Methylgruppen an das Verpackungsprotein Histon-H3 (H3K9), ein wichtiger epigenetischer Mechanismus zum Abschalten von Genen.

Verfeinerte bioinformatische Analysen identifizierten dann Heterochromatin, das mit repetitiven Einheiten assoziiert ist. „Schlüssel dieser Studie war die Entwicklung neuer bioinformatischer Methoden für die Analyse repetitiver Regionen“, sagt Jenuwein. „Das wurde erst durch die enge Zusammenarbeit von Labor-Wissenschaftlern und den Bioinformatikern um Thomas Manke möglich“, betont der Studienleiter.

Der neue Ansatz zeigt, dass mit repetitiven Einheiten assoziiertes Heterochromatin wesentlich zum Schutz des Genoms in Mausstammzellen beiträgt. Das Enzym Suv39h markiert demnach vorrangig Retrotransposons der LINE- und LTR-Gruppe. Überraschenderweise unterdrückt Suv39h spezifisch funktionsfähige, und damit potenziell gefährliche Elemente, obwohl diese gerade einmal 2% aller Retrotransposons ausmachen.

Fehlte Suv39h, wurden nur diese Elemente verstärkt abgelesen. „Anfangs waren wir überrascht zu sehen, dass nur ein so kleiner Teil der repetitiven Einheiten auf die epigenetische Regulation reagiert“, erklärt Ko-Erstautor Dr. Inti De La Rosa-Velazquez. „Tatsächlich ergibt es aber durchaus Sinn, nur die potenziell gefährlichen Elemente zu regulieren. Jetzt interessiert uns der molekulare Mechanismus, der es Suv39h erlaubt, die aktiven Retrotransposons zu identifizieren.“

Zusätzlich zu Stammzellen untersuchten die Wissenschaftler auch repetitive Regionen in stärker differenzierten Zellen. In neuronalen Vorläuferzellen und in Bindegewebszellen hatten die Retrotransposons die Histonmethylierung verloren und wiesen stattdessen DNA-Methylierung auf, einen weiteren epigenetischen Mechanismus zum Abschalten von Genen. Dies lässt vermuten, dass Suv39h-abhängiges Abschalten von Retrotransposons für Stammzellen spezifisch ist.

„Frühere Studien haben bereits gezeigt, dass in differenzierten Zellen DNA-Methylierung der vorrangige Mechanismus für das Abschalten von Retrotransposons ist“, sagt Jenuwein. „In Stammzellen aber, wo die DNA-Methylierung stark reduziert ist, wurden Histon-basierte Mechanismen vermutet, die sicherstellen, dass die Retrotransposons ausgeschaltet sind. Mit unserer Arbeit an Suv39h haben wir jetzt einen solchen Weg identifiziert.“

Publikation:
Suv39h-dependent H3K9me3 marks intact retrotransposons and silences LINE elements in mouse embryonic stem cells. Bulut-Karslioglu A, De La Rosa-Velázquez IA, et al. Mol Cell 55, 277–290, July 17, 2014.

Kontakt:
Prof. Dr. Thomas Jenuwein
Max-Planck-Institut für Immunbiologie und Epigenetik
E-Mail: jenuwein@ie-freiburg.mpg.de
Telephone: +49 (0) 761 5108 574

Johannes Faber
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für Immunbiologie und Epigenetik
E-Mail: faber@ie-freiburg.mpg.de
Telefon: +49 (0) 761 5108 368

Weitere Informationen:

http://www.ie-freiburg.mpg.de/jenuwein Labor Thomas Jenuwein

Dr Harald Rösch | Max-Planck-Gesellschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht 'Fix Me Another Marguerite!'
23.06.2017 | Universität Regensburg

nachricht Schimpansen belohnen Gefälligkeiten
23.06.2017 | Max-Planck-Institut für Mathematik in den Naturwissenschaften (MPIMIS)

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Can we see monkeys from space? Emerging technologies to map biodiversity

An international team of scientists has proposed a new multi-disciplinary approach in which an array of new technologies will allow us to map biodiversity and the risks that wildlife is facing at the scale of whole landscapes. The findings are published in Nature Ecology and Evolution. This international research is led by the Kunming Institute of Zoology from China, University of East Anglia, University of Leicester and the Leibniz Institute for Zoo and Wildlife Research.

Using a combination of satellite and ground data, the team proposes that it is now possible to map biodiversity with an accuracy that has not been previously...

Im Focus: Klima-Satellit: Mit robuster Lasertechnik Methan auf der Spur

Hitzewellen in der Arktis, längere Vegetationsperioden in Europa, schwere Überschwemmungen in Westafrika – mit Hilfe des deutsch-französischen Satelliten MERLIN wollen Wissenschaftler ab 2021 die Emissionen des Treibhausgases Methan auf der Erde erforschen. Möglich macht das ein neues robustes Lasersystem des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnologie ILT in Aachen, das eine bisher unerreichte Messgenauigkeit erzielt.

Methan entsteht unter anderem bei Fäulnisprozessen. Es ist 25-mal wirksamer als das klimaschädliche Kohlendioxid, kommt in der Erdatmosphäre aber lange nicht...

Im Focus: Climate satellite: Tracking methane with robust laser technology

Heatwaves in the Arctic, longer periods of vegetation in Europe, severe floods in West Africa – starting in 2021, scientists want to explore the emissions of the greenhouse gas methane with the German-French satellite MERLIN. This is made possible by a new robust laser system of the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT in Aachen, which achieves unprecedented measurement accuracy.

Methane is primarily the result of the decomposition of organic matter. The gas has a 25 times greater warming potential than carbon dioxide, but is not as...

Im Focus: How protons move through a fuel cell

Hydrogen is regarded as the energy source of the future: It is produced with solar power and can be used to generate heat and electricity in fuel cells. Empa researchers have now succeeded in decoding the movement of hydrogen ions in crystals – a key step towards more efficient energy conversion in the hydrogen industry of tomorrow.

As charge carriers, electrons and ions play the leading role in electrochemical energy storage devices and converters such as batteries and fuel cells. Proton...

Im Focus: Die Schweiz in Pole-Position in der neuen ESA-Mission

Die Europäische Weltraumagentur ESA gab heute grünes Licht für die industrielle Produktion von PLATO, der grössten europäischen wissenschaftlichen Mission zu Exoplaneten. Partner dieser Mission sind die Universitäten Bern und Genf.

Die Europäische Weltraumagentur ESA lanciert heute PLATO (PLAnetary Transits and Oscillation of stars), die grösste europäische wissenschaftliche Mission zur...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Von Batterieforschung bis Optoelektronik

23.06.2017 | Veranstaltungen

10. HDT-Tagung: Elektrische Antriebstechnologie für Hybrid- und Elektrofahrzeuge

22.06.2017 | Veranstaltungen

„Fit für die Industrie 4.0“ – Tagung von Hochschule Darmstadt und Schader-Stiftung am 27. Juni

22.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Radioaktive Elemente in Cassiopeia A liefern Hinweise auf Neutrinos als Ursache der Supernova-Explosion

23.06.2017 | Physik Astronomie

Dünenökosysteme modellieren

23.06.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Makro-Mikrowelle macht Leichtbau für Luft- und Raumfahrt effizienter

23.06.2017 | Materialwissenschaften