Fukuoka, Japan - Forscher der Kyushu-Universität haben eine bahnbrechende Entdeckung zur Dynamik der Genaktivität gemacht und aufgedeckt, wie der räumliche Abstand zwischen bestimmten DNA-Regionen Ausbrüche der Genexpression beeinflusst. Diese Studie, veröffentlicht am 6. Dezember in Science Advances, nutzt fortschrittliche Zellbildgebung und Computermodellierung, um die komplexen Mechanismen der Genregulation zu beleuchten, was potenziell den Weg für neuartige therapeutische Ansätze bei Krankheiten, die mit einer Dysregulation der Genexpression verbunden sind, ebnen könnte.
Die Genexpression ist ein lebenswichtiger zellulärer Prozess, der die Transkription umfasst, bei der DNA in RNA umgewandelt wird, gefolgt von der Translation in Proteine. Eine präzise Regulierung dieses Prozesses ist entscheidend für die Zellfunktion und die Reaktion auf Umweltveränderungen. Traditionell wurde die Gentranskription als ein glatter, kontinuierlicher Prozess betrachtet. Fortschritte in der Technologie haben jedoch gezeigt, dass die Transkription in kurzen, unvorhersehbaren Ausbrüchen erfolgt.
Professor Hiroshi Ochiai vom Medizinischen Institut für Bioregulation der Kyushu-Universität erklärt: "Ein Gen wird zufällig für einige Minuten aktiviert, produziert große Mengen RNA und schaltet sich dann plötzlich wieder aus. Dieses Phänomen, bekannt als transkriptionales Platzen, ist entscheidend für die Kontrolle der Genaktivität in einzelnen Zellen und beeinflusst Prozesse wie die embryonale Entwicklung und das Krebswachstum."
Die Forscher konzentrierten sich auf die Rollen von Enhancern und Promotoren - DNA-Sequenzen, die die Transkription regulieren - und deren räumliche Beziehung. Während Promotoren direkt neben den Genen liegen, können Enhancer weit entfernt sein, aber dennoch durch das Falten der DNA mit Genen interagieren.
Mit einer ausgeklügelten Bildgebungstechnik namens seq-DNA/RNA-IF-FISH erfasste das Team die räumliche Dynamik von DNA, RNA und Proteinen innerhalb von embryonalen Stammzellen von Mäusen. Ihre Ergebnisse zeigten, dass der am weitesten entfernte Enhancer des aktiven Gens Nanog in enger Nähe war, während der Enhancer sich weiter entfernte, wenn das Gen inaktiv war.
Zusätzlich verwendete das Team Computermodellierung, um die DNA-Interaktionen zu simulieren und herauszufinden, dass aktive Gene längere Interaktionen zwischen Enhancern und Promotoren aufgrund der erhöhten Viskosität durch angesammelte Proteine und RNA erlebten. Diese Viskosität verlangsamte die DNA-Bewegung und erlaubte somit anhaltende Ausbrüche von Genaktivität.
Ochiai bemerkte: "Die Modellierung deutet darauf hin, dass diese Interaktionen das transkriptionale Platzen verstärken. Der nächste Schritt besteht darin, diesen Mechanismus in lebenden Zellen zu validieren." Diese Forschung verbessert nicht nur das Verständnis der Genregulation, sondern verspricht auch die Entwicklung gezielter Therapien für genetische Störungen.