Konkrete Auswahl aktiver Zellen

Von Zellen muss präzise kon­trol­liert wer­den, welche der vie­len im Erbgut enthal­te­nen Gene sie nutzen. Dies geschieht in soge­nan­nten Tran­skrip­tions­fab­riken, moleku­laren Ansamm­lun­gen im Zel­lk­ern. Forschende am Karl­sruher Insti­tut für Tech­nolo­gie (KIT), an der Friedrich-Alexan­der-Uni­ver­sität Erlan­gen-Nürn­berg (FAU) und am Max-Planck-Zen­trum für Physik und Medi­zin (MPZPM) haben nun fest­gestellt, dass die Bil­dung der Tran­skrip­tions­fab­riken der Kon­den­sa­tion von Flüs­sigkeit­en ähnelt. Ihre Erken­nt­nisse kön­nen kün­ftig zum Ver­ständ­nis von Krankheit­sur­sachen beitra­gen sowie die Entwick­lung DNA-basiert­er Daten­spe­ich­er voran­brin­gen. Die Wis­senschaft­lerin­nen und Wis­senschaftler bericht­en in Mol­e­c­u­lar Sys­tems Biology.
Das Erbgut des Men­schen enthält mehr als 20 000 ver­schiedene Gene. Allerd­ings greift jede Zelle nur auf einen Bruchteil der in diesem Genom gespe­icherten Infor­ma­tio­nen zurück. Zellen müssen also genau kon­trol­lieren, welche Gene sie nutzen – son­st kann es beispiel­sweise zur Entste­hung von Krebs oder auch zu Störun­gen im embry­onalen Wach­s­tum kom­men. Eine zen­trale Rolle bei der Auswahl der aktiv­en Gene kommt soge­nan­nten Tran­skrip­tions­fab­riken zu.

„Bei diesen Fab­riken han­delt es sich um moleku­lare Ansamm­lun­gen im Zel­lk­ern, welche die kor­rek­te Auswahl der aktiv­en Gene und das Ausle­sen ihrer Sequenz an einem zen­tralen Ort vereinen.“
— Lennart Hilbert, Juniorprofessor

In wenigen Sekunden aufgebaut und gestartet

Wie Tran­skrip­tions­fab­riken inner­halb von weni­gen Sekun­den aufge­baut und gezielt in Betrieb genom­men wer­den, beschäftigt Zell- und Moleku­lar­biologin­nen und ‑biolo­gen seit Jahrzehn­ten. Ergeb­nisse der ver­gan­genen Jahre deuten auf die Rel­e­vanz von Vorgän­gen hin, die zuvor nur von indus­triellen und tech­nis­chen Poly­mer- und Flüs­sig­ma­te­ri­alien bekan­nt waren. Aktuell unter­sucht die Forschung beson­ders die Phasen­tren­nung als einen zen­tralen Mech­a­nis­mus. Im All­t­ag zeigt sich die Phasen­tren­nung beispiel­sweise bei der Tren­nung von Öl und Wass­er. Bish­er war jedoch nicht gek­lärt, wie genau die Phasen­tren­nung zum Auf­bau von Tran­skrip­tions­fab­riken in leben­den Zellen beiträgt.
Forschende am Insti­tut für Biol­o­gis­che und Chemis­che Sys­teme (IBCS), am Zool­o­gis­chen Insti­tut (ZOO), am Insti­tut für Ange­wandte Physik (APH) und am Insti­tut für Nan­otech­nolo­gie (INT) des KIT haben zusam­men mit Wis­senschaftlern an der Friedrich-Alexan­der-Uni­ver­sität Erlan­gen-Nürn­berg (FAU), am Max-Planck-Zen­trum für Physik und Medi­zin (MPZPM) in Erlan­gen und an der Uni­ver­si­ty of Illi­nois at Urbana-Cham­paign/USA neue Erken­nt­nisse zur Bil­dung von Tran­skrip­tions­fab­riken gewon­nen: Sie geschieht ähn­lich wie die Kon­den­sa­tion von Flüs­sigkeit­en. Dies zeigen die Wis­senschaft­lerin­nen und Wis­senschaftler in ein­er Pub­lika­tion in der Zeitschrift Mol­e­c­u­lar Sys­tems Biol­o­gy. Erstau­torin und Erstau­tor sind Agniesz­ka Pan­choli vom IBCS-BIP und ZOO des KIT sowie Tim Kling­berg von der FAU und vom MPZPM.

Modernste Lichtmikroskopie mit Computersimulationen kombiniert

In ihrer Pub­lika­tion zeigen die Forschen­den, dass die Kon­den­sa­tion bei der Bil­dung von Tran­skrip­tions­fab­riken dem Beschla­gen ein­er Brille oder ein­er Fen­ster­scheibe ähnelt: Flüs­sigkeit schlägt sich nur in Anwe­sen­heit ein­er empfänglichen Ober­fläche nieder, dann allerd­ings sehr schnell. In der leben­den Zelle dienen speziell markierte Bere­iche des Genoms als Kon­den­sa­tion­sober­fläche. Die mit Flüs­sigkeit umhüll­ten Bere­iche erlauben das Anhaften rel­e­van­ter Gense­quen­zen sowie zusät­zlich­er Moleküle, welche die anhaf­ten­den Gene schließlich aktivieren.
Diese Erken­nt­nisse wur­den im Rah­men ein­er inter­diszi­plinären Zusam­me­nar­beit erre­icht. So beobachteten die Forschen­den Zebrafis­chem­bry­onen mit mod­ern­sten Licht­mikroskopen, die im Team von Pro­fes­sor Gerd Ulrich Nien­haus am APH entwick­elt wur­den. Diese Beobach­tun­gen wur­den ver­bun­den mit Com­put­er­sim­u­la­tio­nen am Lehrstuhl für Math­e­matik in den Lebenswis­senschaften an der FAU und am MPZPM, den Pro­fes­sor Vasi­ly Zabur­daev leit­et. Die Kom­bi­na­tion von Beobach­tun­gen und Sim­u­la­tio­nen macht den Kon­den­sa­tionsvor­gang nachvol­lziehbar und erk­lärt, wie lebende Zellen schnell und zuver­läs­sig Tran­skrip­tions­fab­riken auf­bauen können.
Das neue Ver­ständ­nis kon­den­siert­er Flüs­sigkeit­en in leben­den Zellen hat in den ver­gan­genen Jahren grund­sät­zlich neue Ansätze zur Ther­a­pie von Krebs und Erkrankun­gen des Ner­ven­sys­tems geliefert. Diese Ansätze wer­den bere­its von erst kür­zlich gegrün­de­ten Unternehmen ver­fol­gt, um neue Medika­mente zu entwick­eln. Andere Forschungsar­beit­en befassen sich mit dem Ein­satz von DNA-Sequen­zen als dig­i­tale Datenspeicher.
Die prinzip­ielle Mach­barkeit DNA-basiert­er Daten­spe­ich­er wurde inzwis­chen von mehreren Arbeits­grup­pen demon­stri­ert. Infor­ma­tio­nen zuver­läs­sig in solchen DNA-Spe­icher­me­di­en zu spe­ich­ern und auszule­sen, stellt jedoch noch eine Her­aus­forderung dar. „Unsere Forschung zeigt, wie die biol­o­gis­che Zelle solche Vorgänge schnell und gle­ichzeit­ig zuver­läs­sig organ­isiert. Die von uns erstell­ten Com­put­er­sim­u­la­tio­nen und Funk­tion­skonzepte lassen sich direkt auf kün­stliche DNA-Sys­teme über­tra­gen und kön­nen deren Design unter­stützen“, sagt Hilbert.