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Neue Erkenntnisse zur Funktionsweise von Genen setzen neue Maßstäbe

Die Fortschritte bei den Techniken, mit denen die atomare Struktur von Zellen abgebildet werden kann, wurden im Jahr 2017 mit dem Nobelpreis für Chemie geehrt. Die immer leistungsfähigeren Verfahren liefern Aufschluss über den Aufbau des menschlichen Körpers, und jetzt lässt uns diese fortschrittliche super-hochauflösende Mikroskopietechnik einige Aspekte der wechselseitigen Beziehung zwischen Genen und den Mechanismen erkennen, mit denen sie gesteuert werden.
Neue Erkenntnisse zur Funktionsweise von Genen setzen neue Maßstäbe
Zellen reagieren durch Genregulation, für die Proteintranskriptionsfaktoren entscheidend sind, auf ihre Umwelt. Die Transkription – der Mechanismus, der die Genexpression steuert – wird durch Bindungsfaktoren an genetische Promoter reguliert, sodass die Expression aktiviert bzw. unterdrückt wird. Obwohl sie für unser Verständnis von der Steuerung der Gene von zentraler Bedeutung sind, sind die Mechanismen, mit denen diese Faktoren ihre Ziele finden, nach wie vor unklar. Fortschrittliche super-hochauflösende Mikroskopie zeigt, dass unsere Gene von Chemikalienverbünden in Form von „Nano-Fußbällen“ gesteuert werden. Mithilfe von Technologie, die bis vor kurzer Zeit noch nicht verfügbar war, kann nun das erforscht werden, was Wissenschaftler als „den kaum untersuchten und neuartigen Aspekt der Genregulation“ bezeichnen.

Forscher an der University of York, von denen zwei im Rahmen des EU-finanzierten Projekts ISOLATE unterstützt wurden, veröffentlichten kürzlich eine wissenschaftliche Arbeit mit dem Titel „Transcription factor clusters regulate genes in eukaryotic cells“. In ihr beschreiben sie ihre Entdeckung, die ihnen zufolge die lange bestehende Frage beantwortet, wie Transkriptionsfaktoren effizient ihre Ziele finden. Mithilfe von Einzelmolekül-Fluoreszenzmikroskopie konnten die Wissenschaftler, wie es Forschungsleiter Professor Mark Leake, der Lehrstuhlinhaber für Biophysik an der University of York beschreibt, das Innere von Zellen auf atemberaubende Weise Molekül für Molekül untersuchen.

Das Team vermutet, dass der Bündelungsprozess durch eine raffinierte Strategie der Zelle abgewickelt wird, durch die Transkriptionsfaktoren ihre Target-Gene so schnell wie möglich erreichen. Die Tatsache, dass die Größe dieser Nano-Fußbälle zu den Lücken zwischen den DNA-Strängen passt, wenn diese in einer Zelle dicht gepackt sind, ist ihrer Einschätzung nach schwer mit einem Zufall zu erklären. Die DNA weist in der Zelle kleine Lücken zwischen den einzelnen Strängen auf, die an die Maschen eines Fischernetzes erinnern. Die Größe der Maschen entspricht etwa der Größe der von den Forschern gefundenen Nano-Fußbälle.

Professor Leake sagte gegenüber Science Daily: „Dies bedeutet, dass Nano-Fußbälle an DNA-Segmenten entlang rollen, dann jedoch zu einem nahegelegenen Segment springen können. So kann der Nano-Fußball das bestimmte von ihm gesteuerte Gen viel schneller finden, als wenn dieses Springen nicht möglich wäre. Anders ausgedrückt können Zellen so schnell wie möglich auf Signale von außen reagieren, was im Kampf ums Überleben einen enormen Vorteil darstellt.“

Die Forscher hoffen, dass ihre Entdeckungen unser Wissen über die Wirkung amyloider Plaques, die bei neurodegenerativen Erkrankungen wie Alzheimer und Parkinson eine Rolle spielen, entscheidend vertiefen werden. Ein besseres Verständnis vom Bündelungsmechanismus könnte nicht nur zur Erforschung dieser Erkrankungen beitragen, sondern auch zukünftige, neuartige Anwendungen in der synthetischen Biologie ermöglichen, um Genschalter beispielsweise mit einer Reihe speziell angepasster Reaktionszeiten auszustatten.

Bei dem Projekt ISOLATE (Developing single cell technologies for systems biology) handelte es sich um ein Innovatives Ausbildungsnetz mit sieben Personen, die in einem Programm geschult wurden, das von hochmoderner Mikrotechnologie, Biotechnik, Biophysik über analytische Chemie bis hin zu Biochemie und Systembiologie reichte.

Weitere Informationen:
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Quelle: Gestützt auf Projektinformationen und Medienberichte

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