Erkenntnisse versprechen besseres Verständnis von Krankheiten

Die Organisation des menschlichen Genoms beruht auf der Physik verschiedener Aggregatzustände – wie flüssig und fest – hat ein Team von Wissenschaftlern entdeckt. Die Ergebnisse, die zeigen, wie sich die physikalische Natur des Genoms verändert, wenn sich Zellen umwandeln, um bestimmte Funktionen zu erfüllen, weisen auf neue Wege, um Krankheiten potenziell besser zu verstehen und verbesserte Therapien für Krebs und genetische Erkrankungen zu entwickeln.

Das Genom ist die Bibliothek der lebenswichtigen genetischen Informationen. Jede Zelle enthält die gesamte Bibliothek, verwendet jedoch nur einen Teil dieser Informationen. Spezielle Zelltypen, wie ein weißes Blutkörperchen oder ein Neuron, haben nur bestimmte “Bücher” geöffnet – solche, die für ihre Funktion relevante Informationen enthalten. Forscher haben lange versucht herauszufinden, wie das Genom diese riesigen Bibliotheken verwaltet und den Zugriff auf die benötigten “Bücher” ermöglicht, während die nicht verwendeten aufbewahrt werden.

In der neu erschienenen Studie, die in der Zeitschrift erscheint Physische Überprüfungsschreiben, Die Forscher zeigten, wie dies innerhalb einer Zelle geschieht.

“Wir fanden heraus, dass die verwendeten Teile des Genoms flüssig sind, während die ungenutzten Teile feststoffähnliche Inseln bilden”, erklärt Alexandra Zidovska, Assistenzprofessorin am Department of Physics der New York University und Senior-Autorin der Studie. “Diese feststoffähnlichen Inseln dienen als Bücherregale, in denen die Bücher mit derzeit nicht verwendeten Genen aufbewahrt werden, während der flüssige Genomteil wie ein ‘offenes Buch’ wirkt, das leicht zugänglich ist und für das Leben und die Funktion einer Zelle verwendet wird.”

Die genetische Information des Genoms ist im DNA-Molekül kodiert. Das richtige Lesen und Verarbeiten dieser Informationen ist für die menschliche Gesundheit und das Altern von entscheidender Bedeutung. In einer menschlichen Zelle ist das Genom, das den genetischen Code enthält, im Zellkern untergebracht. Kaum 10 Mikrometer groß – oder etwa zehnmal kleiner als die Breite einer menschlichen Haarsträhne – speichert sie etwa zwei Meter DNA.

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Um diese riesige Menge an genetischer Information auf so kleinem Raum zu speichern, muss so verpackt werden, dass jedes Stück DNA und damit auch der genetische Code bei Bedarf leicht zugänglich sind.

Weniger verstanden war, wie diese Informationen gespeichert wurden und welche Rolle die Physik dabei spielte.

Um dieses Phänomen zu untersuchen, verglichen die Forscher, zu denen auch Iraj Eshghi und Jonah Eaton, Doktoranden der NYU, gehörten, Zellen vor und nach ihrer Spezialisierung.

Konkret kartierten die Wissenschaftler Bewegungen des Genoms in Kernen von Maus-Stammzellen – jenen, die noch keine spezialisierte Funktion haben, aber bereit sind, sich zu einem beliebigen Zelltyp zu entwickeln, etwa einem Neuron oder einem weißen Blutkörperchen – und ließen dann diese Zellen durchlaufen eine Differenzierung in neuronale Zellen, bevor die genomischen Bewegungen erneut kartiert werden. Dabei erstellten sie die allerersten Karten der Bewegungen eines Genoms vor und nach der Zelldifferenzierung.

Hier fanden sie heraus, dass Stammzellen ihr Genom „offen“ halten – und es so zugänglich machen wie ein offenes Buch, wobei „genetische Seiten“ leicht erreichbar sind.

Die Kartierung zeigte aber auch, dass, sobald eine Stammzelle eine spezialisierte Zelle, zB ein Neuron, wird, diese spezialisierte Zelle nur noch Teile des Genoms leicht zugänglich hält, die für ihre spezifische Funktion benötigt werden. Es legt die ungenutzten Teile des Genoms in “Bücherregalen” ab. Dadurch bleibt mehr Platz für Informationen, die aktiv ausgelesen und verarbeitet werden.

„Diese Bewegungen sagen uns genau, wie zugänglich das Genom an einer bestimmten Stelle im Zellkern ist“, erklärt Zidovska. „Außerdem enthüllen diese Bewegungen den physikalischen Zustand verschiedener Teile des Genoms, wobei flüssige Teile locker gepackter DNA und feststoffähnliche Teile dicht gepackten DNA-Gelen entsprechen. Die Genompackung in diesen unterschiedlichen Aggregatzuständen wirkt sich direkt auf die des Genoms aus Zugänglichkeit; die flüssigen Teile sind zugänglich, im Gegensatz zu den feststoffähnlichen Teilen. Das Erstaunliche daran ist, dass diese Organisation auf der Physik unterschiedlicher Aggregatzustände, flüssig und fest, beruht.“

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„Die Messung der Bewegungen verschiedener Teile des Genoms ermöglichte es uns, diese unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften verschiedener Teile des Genoms zu zeigen und so die Genomorganisation zu verstehen – das ‚Bibliothekssystem‘ der Zelle“, fügt sie hinzu.

Ein ordnungsgemäßes zelluläres Ablagesystem ist für die menschliche Gesundheit von entscheidender Bedeutung, stellen die Forscher fest.

“Angesichts der enormen Anzahl von Zelltypen im menschlichen Körper kann ein fehlendes oder verlegtes Buch in dieser Zellbibliothek zu fehlenden oder unnötigen Informationen führen, was möglicherweise zu Entwicklungs- und Erbkrankheiten sowie Leiden wie Krebs führen kann.” erklärt Zidovska. “Deshalb ist es für unser Verständnis dieser Zustände und Krankheiten entscheidend, die Struktur des Genoms im Zellkern aufzudecken. Darüber hinaus können uns solche Erkenntnisse bei der Entwicklung zukünftiger Therapien und Diagnosen solcher Erkrankungen helfen.”

Die Forschung wurde durch Stipendien der National Science Foundation (CAREER PHY-1554880, CMMI-1762506 und NYU MRSEC DMR-1420073), den National Institutes of Health (R00-GM104152) und einem New York University Whitehead Fellowship for Junior Faculty in Biomedical and . unterstützt Biologische Wissenschaften.

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