Pressemitteilung
Entwicklungsbiologie
22.05.2019

Raumgestaltung für das Erbgut

Die Architektur von DNA- und Eiweißmolekülen im Zellkern reguliert frühe Phasen der Embryonalentwicklung. Forschende des Helmholtz Zentrums München und der LMU in Kollaboration mit dem Hubrecht Institut in Utrecht zeigen jetzt, dass solche Strukturen nicht vererbt werden, sondern neu entstehen. Bei diesem Prozess spielen epigenetische Mechanismen eine Rolle. Ihre Studie ist im Fachmagazin Nature erschienen.

© Helmholtz Zentrum München Einzelne embyonale Zellen werden durch ihre Zellmembranen (grün) dargestellt. Der kleine innere Kreis zeigt die Kernlamelle, in dem sich das Genom befestigt.

Bei Säugetieren beginnt die Embryogenese mit der Befruchtung: Ein Spermium dringt in die Eizelle ein. Diese beiden Zellen verschmelzen, und eine Zelle mit doppeltem, sprich diploidem Chromosomensatz entsteht. Diese sogenannte Zygote oder Ein-Zell-Embryo teilt sich und erreicht später das Zwei-, Vier-, und das 16-Zell-Stadium. Es kommt zu umfassenden Neuordnungen des Erbguts. Details zu diesem Schritt waren bisher nicht bekannt, konnten aber jetzt entschlüsselt werden.

Dreidimensionale Strukturen des Genoms werden nicht vererbt

„In Zusammenarbeit mit Jop Kind vom Hubrecht Institute Utrecht haben wir erstmals die Technik DamID* bei Säugetierembryos eingesetzt“, berichtet Prof. Dr. Maria Elena Torres-Padilla, die die Studie co-leitete. Sie ist Direktorin des Instituts für Epigenetik und Stammzellen (IES) am Helmholtz Zentrum München und Professorin für Stammzellbio-logie an der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU). Mit DamID erzeugten die Forschenden Wechselwirkungen der DNA mit Kernlamellen, der Lamina, einem Geflecht an der Innenseite des Zellkerns. Dieser molekulare Fingerabdruck ermöglicht es ihnen, festzustellen, wie sich das Genom im dreidimensionalen Raum der Zelle anordnet.

Torres-Padilla war von den Ergebnissen ihrer Studie überrascht: „Wir fanden heraus, dass die räumliche Organisation des Genoms nicht vererbt wird, sondern erstmals im Embryo entsteht.“ Zu Beginn der Embryonalentwicklung, sprich nach der Verschmelzung der zwei Keimzellen, bildeten sich charakteristische, dreidimensionale Komplexe des mütterlichen bzw. väterlichen Genoms mit speziellen Eiweißen, den LADs**. Sie waren im Ei (nach dem Acht-Zell-Stadium) nicht mehr nachweisbar. Offensichtlich findet die räumliche Organisation nur in einem kurzen, frühen Zeitfenster während der Entwicklung statt.

Die räumliche Anordnung beeinflussen

Außerdem fanden die Wissenschaftler heraus, dass dieser Vorgang über epigenetische Mechanismen*** gesteuert wird. Die Anwesenheit eines speziellen Gens (Kdm5b) verhinderte beispielsweise, dass Komplexe zwischen dem väterlichen Erbgut und den Kernlamellen entstanden. Torres-Padilla: „Mit dieser neuen Methode haben wir künftig Möglichkeiten, Zellen im frühen Embryo von Säugetieren vollständiger zu erforschen.“ Sie hofft, dass Studien dieser Art zu einem tieferen Verständnis epigenetischer Vorgänge führen; diese seien auch bei Menschen von großer Bedeutung. Zahlreiche Erkrankungen wie Typ-2-Diabetes, die Alzheimer-Krankheit oder Krebserkrankungen lassen sich nämlich nicht allein mit genetischen Faktoren und Umwelteinflüssen erklären. Hier könnte der Epigenetik eine wichtige Rolle zukommen.

Weitere Informationen

Originalpublikation:
Borsos M, Perricone SM et al. (2019): Genome-lamina interactions are established de novo in the early mouse embryo. Nature. DOI: 10.1038/s41586-019-1233-0

* DamID (DNA adenine methyltransferase identification, deutsch DNA-Adenin-Methyltransferase-Identifizierung) ist ein molekularbiologisches Protokoll, mit dem man herausfinden kann, an welchen Stellen im Erbgut bestimmte Proteine (Eiweiße) binden.

** Die sogenannten Lamina-associated domains (LAD) sind spezielle Komplexe aus DNA-Molekülen und Proteinen (Eiweißen) im Zellkern.

*** Unter Epigenetik versteht man verschiedene Mechanismen, die Aktivität von Genen zu beeinflussen, ohne dass sich die Basenabfolge (Sequenz) im Erbgut ändert.

Das Helmholtz Zentrum München verfolgt als Deutsches Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt das Ziel, personalisierte Medizin für die Diagnose, Therapie und Prävention weit verbreiteter Volkskrankheiten wie Diabetes mellitus, Allergien und Lungenerkrankungen zu entwickeln. Dafür untersucht es das Zusammenwirken von Genetik, Umweltfaktoren und Lebensstil. Der Hauptsitz des Zentrums liegt in Neuherberg im Norden Münchens. Das Helmholtz Zentrum München beschäftigt rund 2.500 Mitarbeiter und ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, der 19 naturwissenschaftlich-technische und medizinisch-biologische Forschungszentren mit rund 37.000 Beschäftigten angehören. 

Das Institut für Epigenetik und Stammzellen (IES) befasst sich mit der Erforschung und der Charakterisierung früher Ereignisse in der befruchteten Eizelle von Säugern. Die Wissenschaftler interessieren sich vor allem für die Totipotenz der Zellen, die im Laufe der Entwicklung verloren geht, und wollen aufklären, welche Veränderungen im Zellkern zu diesem Verlust führen. Ziel ist, ein besseres Verständnis der molekularen Abläufe zu bekommen und dadurch therapeutische Ansätze zu entwickeln, diese zu beeinflussen.

Die LMU ist eine der führenden Universitäten in Europa mit einer über 500-jährigen Tradition. Sie bietet ein breites Spektrum aller Wissensgebiete – die ideale Basis für hervorragende Forschung und ein anspruchsvolles Lehrangebot. Es reicht von den Geistes- und Kultur- über Rechts-, Wirtschafts- und Sozialwissenschaften bis hin zur Medizin und den Naturwissenschaften. 15 Prozent der 50.000 Studierenden kommen aus dem Ausland – aus insgesamt 130 Nationen. Das Know-how und die Kreativität der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler bilden die Grundlage für die herausragende Forschungsbilanz der Universität. Der Erfolg der LMU in der Exzellenzinitiative, einem deutschlandweiten Wettbewerb zur Stärkung der universitären Spitzenforschung, dokumentiert eindrucksvoll die Forschungsstärke der Münchener Universität. 

Research at the Hubrecht Institute is pioneering in developmental and stem cell biology. The institute encompasses 24 research groups that perform fundamental, multidisci-plinary research on healthy and diseased cells, tissues and organisms. The Hubrecht Institute is a research institute of the Royal Netherlands Academy of Arts and Sciences (KNAW), situated on the Utrecht Science Park ‘De Uithof’. Since 2008, the Hubrecht is affiliated with the UMC Utrecht. This allowed the institute to grow into an internationally renowned research institute and facilitated the link with (pre)clinical research. The Hubrecht Institute has a partnership with the European Molecular Biology Laboratory (EMBL) based on shared institutional goals, scientific synergy and complementarity.

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