In einem Artikel, der in
Molecular Cell veröffentlicht wurde, haben Wissenschaftler entdeckt, wie die dreidimensionale Organisation der DNA in unseren Zellen die Gene über mehrere Generationen hinweg beeinflusst.
Durch die Manipulation dieser DNA-Organisation bei der Fruchtfliege, ohne deren Sequenz zu verändern, lösten sie eine Veränderung aus, die über viele Generationen hinweg bestehen bleibt. Diese Entdeckung offenbart eine neue Form der Vererbung, die die durch die DNA-Sequenz übertragene Vererbung ergänzt.
Jenseits der Gene: Die 3D-Organisation der DNA beeinflusst deren Expression.
Wir sind daran gewöhnt, dass das Wesentliche dessen, was wir sind, in unseren Genen liegt, die wir zu gleichen Teilen von jedem unserer beiden Elternteile erben. Allerdings erzählen die Informationen in der Sequenz unserer DNA nicht die ganze Geschichte. Ergänzend zu diesem genetischen Material spielen sogenannte "epigenetische" Signale eine entscheidende Rolle bei der individuellen Identität und erweisen sich zunehmend als integraler Bestandteil der Informationen, die von den Eltern an ihre Nachkommen weitergegeben werden.
Der Begriff "Epigenetik" bezieht sich auf Prozesse, die die Genexpression beeinflussen, ohne die DNA-Sequenz zu verändern, und bezeichnet meist eine Reihe chemischer Modifikationen der DNA und der damit verbundenen Proteine, die Gene aktivieren oder deaktivieren. Ein weniger bekannter, aber ebenso entscheidender Faktor ist die räumliche Organisation der Gene in der Zelle.
Deaktivierte Gene können sich beispielsweise zusammenlagern und Gruppen bilden, die sich gegenseitig abschalten. Diese Kontakte zwischen DNA-Regionen, die normalerweise weit voneinander entfernt wären, bedeuten, dass sogar Gene auf verschiedenen Chromosomen sich durch physische Interaktionen gegenseitig beeinflussen können.
Fliegen und Farben: Ein Experiment, das unsere Sicht auf die biologische Vererbung revolutioniert.
In einer neuen Studie, die in der Zeitschrift
Molecular Cell veröffentlicht wurde, haben Wissenschaftler gezeigt, dass physische Kontakte zwischen zwei Genen der Fruchtfliege bei einem von ihnen eine epigenetische Veränderung auslösen können, die von einer Generation zur nächsten vererbt wird. Dies führt zu einer auffälligen Veränderung im Aussehen der Fliegen, die rote oder weiße Augen haben und diese Augenfarbe über viele Generationen hinweg an ihre Nachkommen weitergeben.
Im Allgemeinen ist der Mechanismus, der solche Kontakte erzeugt, komplex und noch nicht vollständig verstanden. In diesem Fall konnten die Wissenschaftler zeigen, dass ein Protein namens GAF, das an beide Gene bindet, den Prozess der epigenetischen Vererbung einleitet. Eine Mutation von GAF führte zur Beseitigung dieser Kontakte, was seine Schlüsselrolle bei der Annäherung dieser normalerweise weit voneinander entfernten Genomregionen unterstreicht.
Die Vererbung nicht-genetischer Informationen über Generationen hinweg, ein Prozess, der als transgenerationale epigenetische Vererbung bekannt ist, wurde bei der Fruchtfliege untersucht.
In diesem Organismus ist die Hemizygotie des regulatorischen Elements Fab-7 in der Lage, die Vererbung der Histonmarkierung H3K27me3 an einem homologen Locus auf einem anderen Chromosom auszulösen, was zu erblichen epigenetischen Unterschieden in der Augenfarbe führt.
Dieser Artikel hebt die Bedeutung der Proteine PHO und GAF bei der Etablierung und Aufrechterhaltung dieser transgenerationalen Vererbung hervor. Diese beiden Proteine spielen eine wesentliche Rolle, indem sie jeweils den repressiven Polycomb-2-Komplex (PRC2) rekrutieren und interchromosomale Chromatin-Kontakte vermitteln.
© Giacomo Cavalli Obwohl diese Beobachtungen nahelegen, dass die von GAF vermittelten Kontakte das Schlüsselereignis waren, das zur Vererbung der epigenetischen Information führte, war dies noch kein endgültiger Beweis. Um dies zu erreichen, haben die Wissenschaftler diese Kontakte künstlich nachgebildet, indem sie ein Protein entwarfen und exprimierten, das in der Lage war, an die beiden interessierenden Gene (und nur an diese Gene) zu binden.
Dieses Protein imitierte somit die Rolle von GAF, indem es an beide Gene band und sie miteinander verknüpfte. Das Erzwingen dieser Kontakte auf diese Weise erzeugte den gleichen Effekt wie eine natürliche Zunahme der Interaktionen und führte zur Vererbung der Augenfarbe über mehrere Generationen hinweg.
Dieses Experiment demonstrierte die entscheidende Rolle der dreidimensionalen Organisation des Genoms in diesem Prozess und implizierte sie erstmals in der Vererbung epigenetischer Informationen. Diese neue Publikation schlägt einen bisher unbekannten Mechanismus vor, um zu erklären, wie bestimmte epigenetische Signale, die sonst zwischen den Generationen verloren gehen könnten, übertragbar werden können.
Dies könnte neben der Genetik zu den Informationen beitragen, die wir von unseren Eltern erben und an unsere Kinder weitergeben.
Darüber hinaus haben die Wissenschaftler ein synthetisches biologisches System entwickelt, um Chromatin-Kontakte
in vivo zu induzieren. Sie haben gezeigt, dass diese Kontakte eine transgenerationale Vererbung etablieren können, was beweist, dass der bloße Kontakt zwischen zwei Loci eine vererbbare Reprogrammierung der Genexpression über mehrere Generationen hinweg induzieren kann.
Referenz
Interchromosomal contacts between regulatory regions trigger stable transgenerational epigenetic inheritance in Drosophila.
Fitz-James, M.H., Sabaris, G., Sarkies, P., Bantignies, F. & Cavalli, G.
Molecular Cell (2024).
DOI:
10.1016/j.molcel.2024.11.021
Quelle: CNRS INSB