Genetik & Evolution

Epigenomics | Biochemie

Epigenomics , die Untersuchung chemischer Veränderungen, die die Expression oder Verwendung der gesamten Sammlung von DNA- Molekülen in den Zellen eines Organismus regulieren . Diese Sammlung von genetischem Material ist als Genom des Organismus bekannt. Genome dienen als dynamische Blaupausen und ermöglichen direkt oder indirekt die Synthese aller für das Leben benötigten Makromoleküle . Epigenomics ist die Untersuchung der regulierten Expression dieser Blaupausen. Genauer gesagt geht es darum zu untersuchen, wie, wann, wo und warum Zellen bestimmte Regionen ihrer DNA auf manchmal vererbbare und manchmal vorübergehende Weise dekorieren, um die Expression bestimmter Gene zu aktivieren oder zum Schweigen zu bringen. Diese Modifikationen der DNA werden als epigenetisch bezeichnetVeränderungen ermöglichen es gesunden Zellen, auf Umweltveränderungen zu reagieren und sich während der Entwicklung zu differenzieren . Epigenetische Modifikationen ermöglichen es Arten auch, parasitäre DNA-Elemente wie Transposons oder Retroviren zum Schweigen zu bringen , die vor langer Zeit eingedrungen sind und nun als permanente Eindringlinge in ihrem Genom existieren. Manchmal können jedoch aberrante epigenetische Veränderungen zu vererbten oder erworbenen Störungen führen.

Forschungswerkzeuge der Epigenomik

Die vielleicht am besten untersuchte DNA-Modifikation, die sowohl bei Pflanzen als auch bei Tieren zur epigenetischen Regulation beiträgt, ist die 5'-Methylierung des DNA- Basenzytosins (C), die kovalente Bindung einer einzelnen Methylgruppe (―CH 3 ) an den Kohlenstoff Nummer fünf von Cytosin. Die Basis 5'-Methylcytosin ist in Genomen reichlich vorhanden, und einige Genome und Genomregionen enthalten mehr 5'-Methylcytosin als andere. Die Fähigkeit, die genauen Positionen solcher modifizierter Basen auf genomischer Ebene zu identifizieren, wurde durch die Entwicklung einer Technik namens ermöglichtBisulfit-Sequenzierung, über die erstmals 1992 von der australischen Genetikerin Marianne Frommer und Kollegen berichtet wurde. Diese Methode, die sowohl den Nachweis als auch die Lokalisierung von 5'-Methylcytosinen in DNA ermöglicht, nutzt die Tatsache, dass die Behandlung von DNA mit der Chemikalie Bisulfit verursacht Desaminierung von Cytosinresten (Desaminierung ist der Verlust einer Amin [―NH 2 ] -Seitengruppe ). Dieser Prozess wandelt die Cytosine chemisch in Uracil (U) -Reste um, die sich nur dadurch unterscheiden, dass ihnen die Amingruppe fehlt. 5'-Methylcytosinreste sind jedoch resistent gegen Desaminierung und bleiben nach Bisulfitbehandlung unverändert. Als Ergebnis DNA-Sequenzierungvon mit Bisulfit behandelten gegenüber unbehandelten DNA-Proben zeigt, welche Cytosine in der ursprünglichen Probe methyliert waren. In unbehandelten Proben sind methylierte und nichtmethylierte Cytosine nicht zu unterscheiden, da beide bei der Sequenzierungsreaktion mit Guanin (G) paaren und daher als Cytosin gelesen werden. In mit Bisulfat behandelten Proben paaren sich jedoch, während methylierte Cytosine weiterhin mit Guanin paaren, die nichtmethylierten Cytosine, die zu Uracilen desaminiert wurden, jetzt eher mit Adenin (A) als mit Guanin und werden daher in der Sequenzierungsreaktion als Thymine (T) interpretiert ), eine mit Uracil verwandte DNA-Base.

Obwohl leistungsstark und genau, war die Bisulfit-Sequenzierung, wie sie in den 1990er Jahren entwickelt und angewendet wurde, durch die Einschränkungen der traditionellen DNA-Sequenzierungstechnologie begrenzt. Verbesserungen bei der DNA-Sequenzierung mit hohem Durchsatz öffneten jedoch die Tür für Anwendungen der Bisulfit-Sequenzierung im genomischen Maßstab. Im Jahr 2009 amerikanischer ForscherRyan Lister und Kollegen berichteten über den ersten Erfolg bei der Verwendung dieses Ansatzes zur Untersuchung epigenetischer Veränderungen über das gesamte Genom hinweg. Die Forscher erstellten eine Einzelnukleotid- Auflösungskarte von 5'-Methylcytosinen in den Genomen von menschlichen embryonalen Stammzellen , die pluripotent sind (die zu jedem von vielen verschiedenen Zelltypen führen können), und von fötalen Fibroblasten , die differenziert sind . Die Studie umfasste die Erzeugung und Analyse von 178,5 Gigabasen (Milliarden von Basenpaaren) der DNA-Sequenz, die die Identifizierung und Untersuchung von 94 Prozent der Cytosine im menschlichen Genom ermöglichten .

Die Ergebnisse von Lister und Kollegen zeigten, dass bei Fibroblasten 99,98 Prozent aller 5'-Methylcytosine unmittelbar vor Guaninresten liegen, bei sogenanntenCpG (Cytosin-Phosphat-Guanin) -Dinukleotidpaare. Dieses Phänomen scheint durch die Tatsache erklärt zu werden, dass die Enzyme in Wirbeltieren, von denen angenommen wird , dass sie Cytosin Methylgruppen hinzufügen, fast ausschließlich CpG-Dinukleotidpaare erkennen. In embryonalen Stammzellen befinden sich jedoch 25 Prozent der Methylcytosine nicht in CpG-Dinukleotiden; in der Tat scheinen sich viele unmittelbar vor Adeninresten in sogenannten CpA-Dinukleotidpaaren (Cytosin-Phosphat-Adenin) zu befinden. Darüber hinaus sind diese Nicht-CpG-Methylcytosine nicht zufällig verteilt. Lister und Kollegen fanden heraus, dass diese Basen an aktiv transkribierten Genen angereichert sind, insbesondere an dem Strang, der als Matrize für die RNA- Transkription dientjedes Gens. Es bleibt unklar, welche Enzyme Methylgruppen zu CpA oder anderen Nicht-CpG-Cytosinen hinzufügen oder daraus entfernen. Es bleibt auch unklar, ob die im menschlichen Stammzellgenom beobachtete asymmetrische Verteilung von Nicht-CpG-Methylcytosinen die Ursache oder das Ergebnis asymmetrischer Transkriptionsniveaus war.

Erhalten Sie mit Ihrem Abonnement exklusiven Zugriff auf Inhalte aus unserer 1768 First Edition. Abonnieren Sie noch heute

Die Methylierung von Cytosinresten ist möglicherweise die am besten untersuchte epigenetische Veränderung im Genom, aber nicht die einzige. Andere chemische Modifikationen von DNA-Resten oder der Histonproteine , die sie verpacken, tragen ebenfalls zur epigenetischen Regulation der DNA-Expression bei. Die DNA-Sequenzierung mit hohem Durchsatz kann mit vorhandenen Methoden wie der Chromatin-Immunpräzipitation (ChIP) gekoppelt werden, um das Ausmaß, die Verteilung und die Auswirkungen dieser zusätzlichen Modifikationen klarer zu interpretieren .

Epigenomik in der Medizin

Frühere Technologien haben gezeigt, dass epigenetische Veränderungen in bestimmten Genen eine normale Entwicklung und eine Vielzahl von Krankheitsprozessen vermitteln, einschließlich angeborener oder vererbter Erkrankungen wie Rett-Syndrom und Epilepsie sowie vieler Krebsarten . Neue Technologien, die weitere Experimente auf genomischer Ebene ermöglichen, werden voraussichtlich zusätzliche Informationen über die Komplexität und Bedeutung epigenetischer Veränderungen liefern, die zu neuen Erkenntnissen über epigenetische Beiträge zu Krankheitsprozessen führen könnten. Dieses Wissen kann in die Entwicklung neuer Diagnosewerkzeuge und Behandlungsstrategien einfließen. In der Tat eine der molekularen Strategien für die Diagnose vonDas fragile X-Syndrom testet den Methylierungszustand von Cytosinen vor demFMR1- Gen. In diesem Fall führt eine übermäßige Methylierung von Cytosinen in der Promotorregion des FMR1- Gens zu einer Stummschaltung der Genexpression, und es ist dieser Verlust der FMR1- Genexpression, der zu einem fragilen X-Syndrom führt.