Genomforschung auf dem richtigen Weg
EU-finanzierte Forscher bringen neue Erkenntnisse über die hochkomplexen Mechanismen ans Licht, die die Aktivität von Genen steuern. Die Ergebnisse des dreijährigen, EU-finanzierten Projekts GENNETEC (Genetic networks: emergence and complexity), das mit 1,48 Mio. EUR unter der Thematik "Technologien für die Informationsgesellschaft" des Sechsten Rahmenprogramms (RP6) finanziert wurde, werden die Genomforschung einen wesentlichen Schritt voranbringen, da nun auf neuartige Weise Regulatoren identifiziert werden können, die spezifische Gene kontrollieren. In allen Organismen, von der Bakterie bis hin zum Menschen, werden Gene permanent ein- und ausgeschaltet. Der Fachbereich Genomik untersucht die Funktionsweise dieses komplexen genetischen Netzwerks und die Faktoren, durch die es reguliert wird. All jene Moleküle, die das Ein- und Ausschalten von Genen übernehmen, werden als Transkriptionsfaktoren oder genetische Regulatoren bezeichnet, und die Forscher sind momentan auf der Suche nach den Mechanismen, die ihrer Funktion zugrunde liegen. Im Rahmen des Projekts GENNETEC wollte man herausfinden, welche Transkriptionsfaktoren welche Gene regulieren. Transkriptionsfaktoren binden an spezifische Stellen auf einem Chromosom und schalten dadurch die Gene in der näheren Umgebung ein oder aus. Dieses konstante Ablesemuster bestimmt die Entwicklung und Funktion von Zelle oder Organismus, und wie diese auf Umwelteinflüsse reagieren. Gerät dieses System aus den Fugen, entstehen Krankheiten wie zum Beispiel Krebs. "Die Ursache einer Erkrankung liegt manchmal in der krankhaft veränderten Dynamik der Wechselwirkungen in einem solchen Netzwerk", erklärt Dr. François Képès vom Französischen Zentrum für wissenschaftliche Forschung (Centre National de la Recherche Scientifique, CNRS) und Koordinator von GENNETEC. "Die Erforschung der Eigenschaften und die Korrektur oder Kontrolle dieser Dynamik gehören daher zu unseren wichtigsten Aufgaben." Um die Verschaltung der Gene und ihrer potenziellen Transkriptionsfaktoren aufzudecken, suchten die Forscher bislang nach kurzen DNA-Abschnitten, von denen bekannt war, dass sie an spezifische Regulatormoleküle binden. Der Nachteil dieser Methode ist allerdings, dass sich viele mögliche Verbindungen hinterher als falsch herausstellen. Das Forscherteam von GENNETEC wählte einen neuen Ansatz zur Analyse von Transkriptionsfaktoren. Eine frühere Studie hatte gezeigt, dass Gene, die durch einen bestimmten Transkriptionsfaktor reguliert werden, häufig in gleichmäßigen Abständen auf einem Chromosom angeordnet sind. Die Forscher vermuteten nun, dass die Gruppierung von Transkriptionsfaktoren und ihrer entsprechenden Gene zur Optimierung der Genfunktion beiträgt. Den Beweis, dass sich aus der Lage dieser Gene die Struktur einer bestimmten DNA-Sequenz ermitteln lässt, erbrachte die Forschergruppe mittels numerischer Simulation von DNA-Faltungen. Auf diese Weise können Beziehungen zwischen Gen und Transkriptionsfaktor sehr viel schneller zugeordnet werden. "Durch Kombination der beiden Prädiktoren können wir die Regulatoren für ein bestimmtes Gen viel besser vorhersagen, da wir die Anzahl falscher Treffer reduzieren", erklärte Dr. Képès. "Die Spezifität der Vorhersage lässt sich auf diesem Wege verdoppeln. Wir entdeckten einen deutlichen Zusammenhang zwischen Chromosomenstruktur und Genexpression, den wir jetzt auf einfache Art sehr genau vorhersagen können. Damit sind wir auf bestem Wege, Untersuchungen der genetischen Regulierung in menschlichen Zellen kostengünstiger und schneller zu machen." Das spanische Bioinformatikunternehmen NorayBio, einer der Partner von GENNETEC, entwickelt gerade die Software, um Forschern weltweit diesen Ansatz zur Analyse genetischer Netzwerke zur Verfügung zu stellen. Das GENNETEC-Konsortium entwickelte zudem eine eigene, vereinfachte und kostenlose Version der Software. Die Forschung des Konsortiums zu komplexen genomischen Systemen habe Dr. Képès zufolge den gleichen Stellenwert wie die neue Software, da sie in verschiedenen Fachbereichen und auch in der Technik einsetzbar sei. "Zellen haben zwar nur das eine Genom, aber dieses reicht aus, um eine Unmenge von Aufgaben zu bewältigen", erklärt er. "Diese biologische Lösung kann uns als Inspiration dienen, um eine neue Generation von Algorithmen zu entwickeln, die die Lösung komplexer Probleme einfacher macht als bisher."