Werkzeug erhellt komplexes Zusammenspiel im Genom

„Ich war total begeistert, dass wir diesen wirklich starken Effekt entdeckt haben“

21.06.2023 - Deutschland

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Ein Unterschied wie der Wechsel vom Schwarz-Weiß-Fernsehen zu Farbe: „Genome Architecture Mapping“ kann deutlich vielseitigere Wechselwirkungen im Genom aufspüren als die gängigen Techniken der 3D-Genomik. Das berichtet das Team um Ana Pombo vom MDC-BIMSB in „Nature Methods“.

Wer bis in die 1980er Jahre nur Schwarz-Weiß-Fernsehen kannte, stellte erst mit den Farbfernsehgeräten fest, was zuvor fehlte. Ähnliches könnten jetzt Forschende in der Genomik erleben. Denn ein Team am Berliner Institut für Medizinische Systembiologie des Max Delbrück Centers (MDC-BIMSB) hat das „Genome Architecture Mapping“ (GAM) entwickelt: Die Methode kann das Zusammenspiel im Genom in all seiner Vielfalt – quasi in Farbe – darstellen. Im Vergleich mit der bewährten Hi-C-Technik, mit der seit 2009 DNA-Interaktionen untersucht werden, verrät GAM deutlich mehr über die räumliche Architektur des Genoms. Diese Details seien Forschenden bislang verborgen geblieben, berichtet die Arbeitsgruppe Pombo im Journal „Nature Methods“.

„Mit einem Schwarz-Weiß-Fernseher kann man Formen erkennen, aber alles sieht grau aus“, sagt Professorin Ana Pombo, Molekularbiologin und Leiterin der Arbeitsgruppe „Epigenetische Regulation und Chromatinarchitektur“. „Wenn man dagegen mit einem Farbfernseher Blumen betrachtet, realisiert man: Sie sind ja rot, gelb und weiß! Wir hatten es zuvor nur nicht wahrgenommen. So ähnlich ist es mit der dreidimensionalen Faltung unseres Erbguts. Viele Informationen sind für uns neu.“

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Gesundheit und Krankheit hängen nicht zuletzt davon ab, wie die DNA organisiert ist: Unsere Zellen verpacken den zwei Meter langen Erbgutfaden in einen Zellkern, der einen Durchmesser von etwa 10 Mikrometern hat. Dank der Faltung können regulatorische DNA-Abschnitte zur richtigen Zeit mit den richtigen Genen in Kontakt kommen und diese ein- und ausschalten. Ändert sich die dreidimensionale Ausrichtung, führt das zu Störungen. Krankheiten können entstehen.

„Wir wissen schon lange, dass es Krankheiten gibt, die sich innerhalb von Familien häufen“, sagt Dr. Robert Beagrie. Der Molekularbiologe und Co-Erstautor der Studie, ehemals in der AG Pombo, forscht inzwischen an der Universität Oxford. „Seit kurzem verstehen wir, dass diese Veranlagungen zu einem großen Teil auf bestimmte DNA-Sequenzvarianten zurückzuführen sind, die Eltern an ihre Kinder weitergeben. Sie beeinflussen, wie unsere Gene ein- und ausgeschaltet werden.“

GAM macht vielseitige Interaktionen sichtbar

Mit Techniken wie Hi-C und GAM können Forschende die Wechselwirkungen zwischen regulatorischen Abschnitten und Genen einfrieren und untersuchen. Bei der herkömmlichen Hi-C-Methode schneiden Forschende mit Enzymen das Chromatin, also das Material aus dem die Chromosomen bestehen, zunächst in Stücke. Anschließend setzen sie die Stücke wieder so zusammen, dass die Sequenzierung zweiseitige DNA-Interaktionen sichtbar machen kann. Die neuere Methode GAM hat das Team um Pombo 2017 erstmals in „Nature“ beschrieben. Dabei schneiden die Wissenschaftler*innen die Zellkerne einzelner Zellen in Hunderte hauchdünne Scheiben und extrahieren daraus die DNA. Um herauszufinden, welche Regionen miteinander in Kontakt treten, sequenzieren sie das Erbgut und analysieren es statistisch.

Zusammen mit den leistungsfähigen Rechen- und Statistikmodellen, die das Team entwickelt hat, ermöglichen die neuen GAM-Daten einen tieferen Einblick in die Organisation und Regulation unseres Genoms. „Wir können die Wahrscheinlichkeit ermitteln, mit der bestimmte DNA-Abschnitte wie zum Beispiel ein Basenpaar oder ein Triplet auch über große Distanzen im Erbgut in einer einzelnen Zelle aufeinandertreffen“, sagt Professor Mario Nicodemi, ein Physiker und Co-Autor des Papers von der Universität Neapel „Federico II“ und derzeit „Einstein BIH Visiting Professor“ am Max Delbrück Center.

So ist eine Karte dreidimensionaler Wechselwirkungen entstanden. Das Team hat sie mit bereits vorhandenen 3D-Karten des Genoms verglichen, die auf Hi-C beruhten, und entdeckte viele neuartige Interaktionen. Zunächst wunderten sich die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler. Doch schließlich wurde ihnen klar: GAM kann ein deutlich komplexeres Zusammenspiel sichtbar machen, bei dem mehrere DNA-Regionen gleichzeitig aufeinandertreffen. „Bei diesen komplexeren Kontakten kommen aktive Gene, regulatorische Regionen und Super-Enhancer zusammen, die wichtige Gene steuern und die die Zellidentität bestimmen“, sagt Dr. Christoph Thieme, Co-Erstautor der Studie und Postdoktorand in der AG Pombo.

Hi-C erfasst dagegen vor allem Interaktionen von zwei DNA-Abschnitten. Beide Techniken ergänzen sich, da zwei von drei mit GAM erkannten Kontakten mit Hi-C unsichtbar waren – und umgekehrt. „Ich war total begeistert, dass wir diesen wirklich starken Effekt entdeckt haben“, sagt Beagrie. „Es ist ganz klar, dass dieses komplexe Zusammenspiel viel häufiger vorkommt als bisher angenommen.“