Nach 10 Jahren Arbeit wird das 4D - Chromosomenatlas des Menschen veröffentlicht: Entlarvung der Geheimnisse der DNA - Faltung und Erforschung der Ursachen von unklaren erblichen Krankheiten

Letzten Monat wurde das 4D - Chromosomenatlas des Menschen offiziell veröffentlicht. Die menschliche Erkenntnis des Lebensgeheimnisses hat damit einen wichtigen Schritt vorwärts gemacht.

Wenn man das vollständige menschliche Genom als ein super umfassendes Adressbuch ansehen kann, in dem jeder Genname und seine Position aufgezeichnet sind, dann ist das 4D - Chromosomenatlas - Projekt (4D Nucleome, im Folgenden als 4DN bezeichnet) wie ein soziales Netzwerk mit einer explosionsartigen Menge an Informationen. Es beschreibt, wie die Gene in der Zelle miteinander verbunden sind und wie sie in kritischen Momenten zusammenarbeiten.

Dieses gewaltige Projekt, das von Menschen an sich durchgeführt wird, ist seit zehn Jahren in Gang und hat endlich eine große vorläufige Errungenschaft erzielt.

Es hat die Kräfte vieler internationaler Hochschulen und Forschungsinstitute wie die Princeton University, die University of Pennsylvania und die Carnegie Mellon University zusammengebracht. Auch Teams aus der Fudan Universität und der Zhejiang Universität in China haben daran teilgenommen. Schließlich haben die Forscher eine gemeinsame Studie mit 90 Autoren fertiggestellt, die am 18. Dezember in der angesehenen Zeitschrift Nature veröffentlicht wurde.

Liste der Autoren der Studie | Quelle: Springer nature

In dieser Studie haben die Forscher systematisch die dreidimensionale Chromosomenstruktur in zwei repräsentativen Zelltypen des menschlichen Körpers dargestellt: die menschlichen embryonalen Stammzellen mit starker Differenzierungskapazität und die Fibroblasten, die am Ende der Differenzierungsphase angelangt sind und vollständig ausgebildet sind.

Zusätzlich haben die Forscher die vierte Dimension - die Zeit - eingeführt, um zu beschreiben, wie sich die dreidimensionale Struktur in der Zelle im Laufe der Zeit ändert.

Menschliche embryonale Stammzellen (in der Mitte) und die sie ernährenden Maus - embryonalen Fibroblasten (im Außenbereich). Die Formen und Strukturen dieser beiden Zelltypen sind stark unterschiedlich | Wikipedia Commons

Diese Studie hat eine wichtige Grundlage für zukünftige Forschung gelegt und unsere Kenntnisse über die dreidimensionale Chromosomenstruktur erheblich vertieft.

Beispielsweise bietet es eine neue Perspektive für die Diagnose von erblichen Krankheiten: Einige Fehlbildungen bei Neugeborenen wie Gaumen - und Lippenspalten oder Mehr - und Verwachsung von Fingern, deren Mechanismus bisher unbekannt war, könnten möglicherweise nicht auf Veränderungen in der Proteinsequenz zurückzuführen sein, sondern auf fehlerhafte Chromosomenfaltung. Darüber hinaus können viele Krankheiten, deren Ursache derzeit unbekannt ist, möglicherweise mit Hilfe des 4DN - Rahmens neu interpretiert werden. Unsere Kenntnisse über unsere eigenen Gene haben sich damit um eine weitere Dimension erweitert.

Das 4DN - Projekt bringt zwei zusätzliche Dimensionen in die Gensequenz

Anfang dieses Jahrhunderts wurde das vollständige menschliche Genom von internationalen Forschungsinstituten zusammen erarbeitet und veröffentlicht. Dieses Projekt hat die komplette Sequenz des menschlichen Genoms bestimmt und uns erstmals erlaubt, die Anordnung der Basen auf jedem Chromosom und die ungefähre Verteilung der Gene zu kennen.

Aber dieses Genom - Atlas hat einen großen Nachteil: Es zeigt nur die zweidimensionale Sequenz der Gene. In der realen physiologischen Umgebung ist die Chromosomenstruktur jedoch viel komplexer. Die DNA in der Zellnukleus wird mehrfach gefaltet und bildet eine komplexe dreidimensionale Struktur. Diese Strukturen ändern sich auch mit dem Zellzustand. Dies ist die Grundlage für die genaue Regulation physiologischer Aktivitäten in der Zellnukleus und kann nicht allein aus der Basensequenz abgeleitet werden.

Konzeptbild des 3D - Chromosomenatlas, ähnlich wie Knabbernudeln | Springer nature

Um die Veränderungen der DNA im Raum und in der Zeit besser zu verstehen, wurde das 4DN - Projekt ins Leben gerufen. Es wurde 2014 gestartet und hat bisher über 800 Publikationen hervorgebracht sowie eine große Menge an Daten, Methoden und Werkzeugen gesammelt. Jetzt werden diese Ergebnisse zu einer wichtigen öffentlichen Ressource zusammengeführt: einem 4D - Chromosomenatlas des Menschen, der näher an der Gesamtansicht ist.

Das in unseren Sekundarschulbüchern abgebildete, wie eine verdrehte Leiter aussehende DNA - Schema ist eigentlich zweidimensional und zeigt nur die Art und Reihenfolge der vier Basen A, T, C und G auf den Chromosomen.

Häufiges DNA - Schema | healthline

In menschlichen Zellen ist das Genom nicht wie eine Kette von Perlen linear angeordnet. Tatsächlich wird das Genom weiter gefaltet, gestapelt und gepackt und bildet eine dreidimensionale Chromatin - und Chromosomenstruktur, die wie ein Fadenball mit ineinandergeschachtelten Schichten aussieht.

Schichtweise gefaltetes Chromatin. Die reale Situation ist viel komplexer als in den Lehrbüchern dargestellt | Wikipedia Commons

Bei diesen dreidimensionalen Strukturen interessieren die Forscher sich besonders für eine Schlüsselstruktur - die Chromatin - Schleife (Chromatin loop). Chromatin - Schleifen sind eng mit der Genomfunktion verbunden. Das Verständnis dieser Schleifen bedeutet, die Art der Fernregulation im Genom zu verstehen und die dreidimensionale Struktur mit den realen physiologischen Funktionen in der Zelle in Einklang zu bringen. Dadurch wird das zweidimensionale Genom plötzlich dreidimensional.

Die Genexpression ist kein einfacher Ein - Aus - Schalter. Ob ein Gen aktiviert wird, wann es aktiviert wird und wie stark es exprimiert wird, hängt oft von mehreren fernen Regulationsfaktoren ab. Ähnlich wie bei der Arbeit, um ein Projekt zu starten, müssen häufig die Unterschriften mehrerer Führungskräfte eingeholt werden. Im Genom ist es ähnlich.

Zielgene und Regulationsfaktoren können in der zweidimensionalen Gensequenz weit voneinander entfernt sein, möglicherweise hunderttausende bis Millionen von Basen. Um eine effektive Zusammenarbeit zu ermöglichen, muss die DNA gefaltet werden, damit die ursprünglich weit voneinander entfernten Abschnitte im Raum nahe beieinander liegen. So entstehen die Chromatin - Schleifen.

Um so viele Chromatin - Schleifen wie möglich so genau wie möglich zu identifizieren, haben die Forscher verschiedene Techniken zur Erfassung von Chromatin - Schleifen in der Zellnukleus verwendet und die Schleifen aus verschiedenen Perspektiven identifiziert und integriert. Dadurch konnten sie ein genaues dreidimensionales Chromosomenatlas erstellen.

Kondensin bringt Chromosomen in Schleifenform | Wikipedia Commons

Bis hierhin haben wir das Genom von der zweidimensionalen in die dreidimensionale Ebene gehoben.

Aber diese dreidimensionale Struktur ist nicht statisch: Mit dem Fortschreiten des Zellzyklus, der Differenzierung und äußeren Stimuli ändern die Chromosomen ihre Faltungsweise und das Kontaktmuster. Die Wissenschaftler möchten die Dimension der strukturellen Veränderung in der Zeit oder in verschiedenen Zuständen ebenfalls berücksichtigen. Dies ist die vierte Dimension im 4D - Atlas - die Zeit.

Mit dem von den Forschern erstellten Atlas können wir viele Informationen erhalten, die allein aus der DNA - Sequenz nicht ersichtlich sind: Beispielsweise welche Gene im dreidimensionalen Raum nahe beieinander gefaltet werden, in welchen Bereichen der Zellnukleus sie sich bevorzugt befinden; und wie die Interaktionsbeziehungen zwischen diesen Genen sich ändern, wenn sich der Zellzustand ändert - beispielsweise in verschiedenen Phasen der DNA - Replikation.

Wie wird der 4D - Atlas erstellt?

Die Forscher haben zwei repräsentative Zelltypen ausgewählt, die den Anfang und das Ende der Zelldifferenzierung im menschlichen Körper darstellen: ungedifferenzierte menschliche embryonale Stammzellen H1 - hESC und immortalisierte Fibroblasten HFFc6, die am Ende der Entwicklung angelangt sind.

Die Technik zur Identifizierung von Chromosomen wurde vor mehr als 20 Jahren von einer Gruppe der Forscher in diesem Projekt entwickelt. Das Ziel dieser Technik war es, die Kontaktfrequenz zwischen wenigen DNA - Sequenzen in Hefe zu messen. Um diese Technik für das 4D - Chromosomenatlas - Projekt zu verwenden, haben die Forscher sie stark optimiert, so dass sie größere Bereiche und höhere Auflösungen messen kann.

Die Forscher haben vier Schritte entwickelt, um Chromatin - Schleifen zu erfassen.

Schritt 1: Fixierung

Die Forscher behandeln die Zellen zunächst mit chemischen Reagenzien, ähnlich wie bei der Konservierung von frischen Tierpräparaten, um den räumlichen Zustand des Chromatins zu fixieren und zu verhindern, dass es sich bei den nachfolgenden Manipulationen auflöst.

Schritt 2: Zerschneiden

Dann werden die Chromosomen mit einem "Schneider" in viele kleine Fragmente zerschnitten. Im Allgemeinen desto feiner die Zerschneidung, desto genauer die anschließende Lokalisierung.

Schritt 3: Lokale Verbindung

Nachdem die DNA geschnitten wurde, wird eine Ligase hinzugefügt, um die Fragmente lokal zu verbinden. Je näher die Fragmente in der Zellnukleus zueinander lagen, desto wahrscheinlicher werden sie miteinander verbunden.

Schritt 4: Sequenzierung und Lesen

Schließlich werden die verbundenen Produkte sequenziert. Die Forscher finden ein wichtiges Indiz: Der erste Teil einer Sequenz stammt aus Position A im Genom, der zweite Teil jedoch aus einer weit entfernten Position B - das bedeutet, dass A und B in der Zellnukleus sehr nahe beieinander lagen. Nach der Zusammenfassung einer großen Anzahl solcher Indizien werden die so genannten Chromatin - Schleifen erfasst.

Kernprozess der Chromatin - Schleifen - Sequenzierung - Fixierung, Schneiden, Verbindung, Sequenzierung und Lesen. Dieses Bild zeigt die Hi - C - Sequenzierungsmethode. Aber unabhängig von der Methode bleibt der Kernprozess gleich | Studie

Es gibt nicht nur eine Methode zur Sequenzierung des 3D - Genoms, und jede Methode ist für die Erfassung unterschiedlicher Arten von Schleifen geeignet. In der Studie haben die Forscher sieben Sequenzierungsmethoden verwendet, um so viele Chromatin - Schleifen wie möglich zu erfassen.

Nach der Erfassung der Rohdaten müssen die Forscher die Daten wie in einer Küche das Gemüse waschen, d. h. sie müssen die Daten weiter reinigen und lokalisieren. Doppelte und niedrigwertige Fragmente werden ausgesiebt und die erhaltenen Fragmente werden wieder in das Genom zugeordnet.

Der nächste und wichtigste Schritt ist es, aus der riesigen Menge an Paarungsinformationen die wirklich zuverlässigen Informationen herauszufinden. Die Forscher wählen weiter Gene aus, deren Positionen statistisch signifikant genug und in verschiedenen Wiederholungen stabil genug sind. Nur diese werden als zuverlässige Chromatin - Schleifen anerkannt.

Nach dieser gründlichen und fein abgestimmten Filterung haben die Forscherteams schließlich in beiden Zelltypen riesige Kataloge von Schleifen erstellt: In jedem Zelltyp wurden etwa 140.000 Chromatin - Schleifen identifiziert und katalogisiert.

Mit diesen umfangreichen und genauen Daten können die Forscher nicht nur die chromosomale Umgebung eines Gens vollständiger beschreiben, sondern auch vorhersagen, mit welchen fernen Regulationsfaktoren oder anderen Genen es interagieren kann. Darüber hinaus können sie wichtige genetische Prozesse in die dreidimensionale Chromatinstruktur einordnen und verstehen.

Das 4DN - Modell kann uns direkt helfen, die Zellstruktur mit ihrer Funktion in Einklang zu bringen | Studie

Als nächstes muss die vierte Dimension aufgebaut werden.

Hierbei ist die Zeit nicht die intuitive, kontinuierliche Aufzeichnung des Zelllebens von der Entstehung bis zum Tod. In dieser Arbeit hat das 4DN - Projekt zwei Methoden verwendet, um die Zeit in den Atlas einzuführen.

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