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3D Genome structure and function

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Faltung - die neue Dimension der Genomforschung

Die Gentranskription ist eines der wichtigsten Forschungsgebiete in der heutigen Genomik. Ein europäischer Projekt hat die Auswirkungen der Chromosomenfaltung auf die Aktivierung von Genen untersucht.

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Jede unserer Zellen enthält einen 2 Meter langen DNA-Faden in einem Kern mit 0,001 mm Durchmesser. Die Natur kann dies nur erreichen, indem sie ihn faltet. Offensichtlich ist die Faltung entscheidend dafür, wie eine Zelle Gene aktiviert und deaktiviert und daher auch wie die Zelle funktionniert. Das Projekt "3D Genome structure and function" (3DGenome) hatte das Ziel, eine dreidimensionale Karte der Faltung der DNA-Faser im Interphasenkern des menschlichen Zellkreislaufs zu erstellen. Die Faltungsmuster können dann mit der Genaktivität in Verbindung gesetzt werden. Unter Verwendung des FISH-Verfahrens (Fluoreszenzin-situ-Hybridisierung) in Verbindung mit moderner 3D-Lichtmikroskopie konzentrierte sich das 3DGenome-Team auf bestimmte Chromosomen. Die Wissenschaftler untersuchten die relative Position der Gene in der gefalteten Struktur unabhängig vom Zelltyp, des Differenzierungsstatus und Genexpressionsmuster. Eine große Herausforderung stellte die Analyse der großen Anzahl der Bilder aufgrund der natürlichen Variation der Chromatinstruktur von Zelle zu Zelle dar. Die Wissenschaftler entwickelten neue Methoden, Software und Technologien, um dieses Problem zu überwinden. Es wurde eine Automatisierung für die klassische und die Spinning-Disk-Confocal-Bildgebung eingegliedert. Die riesigen Mengen der Mikroskopiedatensätze stellten ein Problem hinsichtlich Speicherung, Analyse und Auswertung. Die Wissenschaftler reagierten mit neuen Protokollen und der Einrichtung einer effizienten Bilddatenbank sowie einem neuartigen Ansatz bei der quantitativen Analyse. Die Erkenntnisse zeigten, dass das Chromatin einzelner Chromosomen so gefaltet wird, dass verschiedene subchromosomal Bereiche gebildet werden. Die Struktur dieser Bereiche hängt von Variablen, wie z.B. der Gendichte und den durchschnittlichen Expressionsebenen, ab. Die Position der verschiedenen Bereiche hängt von ihrem Transkriptionsniveau ab. Die aktiveren mit größerer Gendichte befinden sich weiter in der Kernmitte und die mit geringerer Gendichte und mit niedrigerem Transkriptionsniveau sind in der Nähe der Kernmembran anzutreffen. Insgesamt konnte 3DGenome eine Reihe von 3D-Faltungsprinzipien ermitteln, die eng mit der Anordnung der Gene auf dem DNA-Strang in Verbindung stehen. Dadurch wurde eine solide Grundlage geschaffen, um den Einfluss der Chromosomenfaltung auf die Gentranskription einzuordnen. Die Ergebnisse von 3DGenome haben enormes Anwendungspotenzial auf dem Gebiet der Genomik. Die Bedeutung der Forschungsarbeitung spiegelt sich in der Vielzahl der Publikationen wieder – bis heute sind es 49 in internationalen wissenschaftlichen Fachzeitschriften. Insgesamt wurden 124 Seminare zur 3DGenome-Forschung auf Konferenzen und in Workshops abgehalten.

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