Wie das Genom im Mäusegehirn gefaltet ist

Ein Team um die MDC-Forscherin Ana Pombo hat die 3D-Struktur des Genoms von drei Zelltypen des Gehirns von Mäusen ermittelt. Dabei sind sie nicht nur auf spezifische Faltmuster gestoßen, sondern auch auf einen Zusammenhang zwischen Aktivität und Faltmuster.

Was passiert im Gehirn, wenn wir etwas lernen, eine Sucht entwickeln oder eine neurologische Erkrankung? Welche Gene werden dabei in den Nervenzellen aktiv? Und wie wird dieser Prozess im Zellkern gesteuert? Fragen wie diese treiben Prof. Ana Pombo, Leiterin der Arbeitsgruppe „Epigenetische Regulation und Chromatinstruktur“ am Berliner Institut für Medizinische Systembiologie (BIMSB), seit vielen Jahren um. Mit ihrer aktuellen Studie sind Pombo und ihr Team den Antworten darauf erneut ein Stück nähergekommen.

3D-Karten des Genoms

„Nachdem das menschliche Genom entschlüsselt war, stellte man fest, dass nur ein sehr kleiner Teil der DNA tatsächlich Bauanleitungen für Proteine enthält“, sagt Pombo. Den anderen, sehr viel größeren Teil habe man zunächst für überflüssig gehalten und ihn daher als Junk-DNA bezeichnet. „Es stellte sich jedoch heraus, dass diese geheimnisvollen Bereiche des Genoms entscheidende Informationen enthalten, die die Aktivität der Gene regulieren, indem sie mit ihnen in Kontakt treten oder ihre räumliche Position beeinflussen.“

Um mehr über diese winzigen Schalter herauszufinden, mit denen Gene an- und ausgeschaltet werden, hat Pombo gemeinsam mit ihrem Team eine Methode namens „Genome Architecture Mapping“, kurz GAM, entwickelt, die sie im Jahr 2017 in „Nature“ vorstellten. Das Verfahren liefert 3D-Karten des gesamten Genoms und deckt mithilfe statistischer Berechnungen auf, welche Abschnitte des Erbguts innerhalb des Zellkerns räumliche Nähe bevorzugen – wo also die mutmaßlichen Schalter eines ganz bestimmten Gens positioniert sind.

Untersuchungen direkt in den Zellen

Für ihre aktuelle Studie, die Dr. Warren Winick-Ng aus Pombos Arbeitsgruppe leitete, kombinierten die Wissenschaftler die GAM-Methode mit einem weiteren Verfahren namens Immunoselektion. Sie markierten drei verschiedene Zelltypen im Gehirn von Mäusen, um deren dreidimensionale Genomstruktur gezielt zu untersuchen. Bei den verwendeten Zellen handelte es sich um zwei unterschiedliche Sorten von Neuronen und um eine Sorte von Gliazellen, welche die langen Fortsätze der Nervenzellen isolieren und unterstützen.

Die Forschenden verglichen die räumliche Genomstruktur in diesen drei sehr spezialisierten Zelltypen zudem mit der in embryonalen Stammzellen – also in Zellen, die die Vorläuferzellen aller spezialisierten Zelltypen sind. „Immunselektion mit GAM zu kombinieren, hat den großen Vorteil, dass wir sämtliche Zellen in ihrer natürlichen Umgebung untersuchen können, ohne sie aus ihrem Gewebeverband herausreißen zu müssen“, erläutert Winick-Ng.

Wie die Knospen einer Blume

„Sehr spannend war für uns die Entdeckung, dass die Faltungen des Erbguts und die Kontakte einzelner Genomelemente, sowohl im großen als auch im kleinen Maßstab, in den verschiedenen Gehirnzelltypen der Mäuse jeweils hochspezifisch sind“, erzählt Dr. Alexander Kukalev, einer der Erstautoren. Besonders charakteristische Faltmuster fanden die Forschenden bei Genen, die lediglich in einem der untersuchten Zelltypen abgelesen und in Proteine umgewandelt werden. „Dabei sind wir auf Kontakte von Erbgutabschnitten gestoßen, die im Chromosom wirklich weit voneinander entfernt liegen“, berichtet Pombo. Ob es dabei Muster gibt, untersuchten sie zusammen mit Bioinformatikern der Universität von Ohio. „Wir haben einige genomische ‘Wortpaare’ entdeckt, die spezifisch für die Kontakte bei Neuronen sind. Damit kommen wir den zugrundeliegenden molekularen Mechanismen etwas näher, die wir als nächstes untersuchen wollen“, sagt Pombo.

Am meisten überrascht hat das Team um Pombo jedoch die Beobachtung, dass in allen drei Zelltypen viele sehr lange Gene, die verschiedene Proteine hervorbringen können, ihre kompakte Faltstuktur während des Transkriptionsprozesses fast vollständig verlieren. „Sie blühen auf wie die Knospe einer Blume“, beschreibt die Forscherin das Phänomen. Das habe man mit anderen Sequenzierungsmethoden bisher noch nicht gesehen, sagt sie und fügt hinzu, dass – je nach Zelltyp des Gehirns – jeweils komplett anderes genetisches Material aufblühe. Gemeinsam mit Prof. Mario Nicodemi, Einstein-BIH Visiting Fellow in ihrer Arbeitsgruppe, habe das Team die außergewöhnlichen Vorgänge modelliert und visualisiert. „Unsere Entdeckungen sind insbesondere deshalb relevant, da viele dieser langen neuronalen Gene mit Störungen der neuronalen Entwicklung oder mit Neurodegeneration in Verbindung gebracht werden. Beispiele wären Epilepsie oder Autismus“, sagt Izabela Harabula, eine der Erstautorinnen.

ALS besser verstehen

Genetisch bedingte neurologische Erkrankungen gehen auch auf Veränderungen in der Erbgutsequenz selbst zurück, die entweder Gene betreffen können, aus denen Proteine hervorgehen, oder aber ihre Schalter, die die Genexpression regulieren. Letzteres kommt öfter vor. „Bisher ist es sehr schwer zu verstehen, was diese Variationen im Einzelnen bewirken und wie sie letztendlich zu Krankheiten führen. Denn sie kommen vor allem in den nichtkodierenden Regionen des Genoms vor, also quasi in der dunklen Materie, die ja den Großteil des ganzen Erbguts ausmacht“, sagt Pombo. Auch aus diesem Grund freuen sich Pombo und Winick-Ng darauf, ihre neu entwickelten Methoden zu nutzen, um das Hirngewebe verstorbener Patienten mit Amyotropher Lateralsklerose (ALS) zu untersuchen, das ihnen die Charité-Universitätsmedizin Berlin dank einer Zusammenarbeit mit Prof. Frank Heppner und Dr. Helena Radbruch zur Verfügung stellt. 

„Jetzt, da wir unsere Methoden bei Mäusen etabliert haben, können wir mit der groß angelegten Kartierung des 3D-Genoms in menschlichen Proben beginnen“, sagt Winick-Ng. Da jeder ALS-Erkrankte zahlreiche Variationen in seiner Genomsequenz aufweist, müssen sie das Gewebe mehrerer Patientinnen und Patienten analysieren. „Denn nur so“, sagt der Forscher, „können wir verstehen, wie die für die Krankheit wichtigen genetischen Variationen mit den vielen Veränderungen in der 3D-Genomstruktur zusammenhängen, die wir vermutlich identifizieren werden.“

Originalpublikation:
Winick-Ng W et al. Cell-type specialization is encoded by specific chromatin topologies. Nature, 17. November 2021