Die geringe Anzahl an Genen im menschlichen Genom steht im deutlichen Gegensatz zur enormen Komplexität und Vielfalt des Menschen und wirft eine Reihe interessanter Fragen auf. Wie lässt sich ein derart komplexes System aus vergleichsweise wenigen unterscheidbaren funktionellen Einheiten aufbauen?
Einleitung
Die Veröffentlichung des ersten Entwurfs der menschlichen Genomsequenz im Jahr 2001 leitete eine neue Ära ein und trug wesentlich zu einem besseren Verständnis davon bei, wie Leben auf molekularer und genetischer Ebene funktioniert. Besonders bemerkenswert ist, dass dieses ambitionierte Projekt ein weit verbreitetes, aber falsches Verständnis in den Lebenswissenschaften korrigierte. Kurz gesagt führte die Veröffentlichung des menschlichen Genoms zu der Erkenntnis, dass die allein durch die Nukleotidsequenz bereitgestellte Information überraschend begrenzt ist.
Der Mensch ist mehr als seine Gene – oder etwa nicht?
Vor Abschluss des Humangenomprojekts wurde erwartet, dass die rund 3 Milliarden Basen des menschlichen Genoms für eine enorme Zahl von Genen kodieren würden – möglicherweise bis zu 2 Millionen; selbst „konservativere Schätzungen“ gingen noch von etwa 100.000 aus. Im Verlauf des Humangenomprojekts wurde diese Zahl mehrfach nach unten korrigiert. Am Ende stellte sich heraus, dass die tatsächliche Zahl kodierender Elemente deutlich geringer war als ursprünglich angenommen. Zunächst wurde von 25.000 bis 30.000 grundlegenden Vererbungseinheiten ausgegangen; 2007 wurde diese Zahl weiter auf etwa 20.500 korrigiert und später sogar auf weniger als 20.000 Gene . Zum Vergleich: Auch das vollständige Genom des unscheinbaren Bodennematoden Caenorhabditis elegans kodiert für etwa 20.000 Gene.
Die geringe Anzahl an Genen im menschlichen Genom steht im deutlichen Gegensatz zur enormen Komplexität und Vielfalt des Menschen und wirft eine Reihe interessanter Fragen auf. Wie lässt sich ein derart komplexes System aus vergleichsweise wenigen unterscheidbaren funktionellen Einheiten aufbauen? Ein wichtiger Teil der Antwort liegt wahrscheinlich in der Epigenetik. Die Epigenetik untersucht vererbbare zelluläre und physiologische Merkmale, die durch undere Faktoren als die DNA-Sequenz bestimmt werden.
Epigenetik:
Der Begriff leitet sich vom griechischen Präfix „epi“ ab, das „auf“ oder „über“ bedeutet.
Sie umfasst eine zusätzliche Informationsebene, die gewissermaßen „oberhalb“ der Nukleotidsequenz kodiert ist.
Sie wird unter anderem durch einfache chemische Modifikationen wie Methylierung und Acetylierung von DNA und ihren Interaktionspartnern beeinflusst. Diese Veränderungen verändern nicht
Sie spielt eine Rolle bei der Steuerung, wie, wo and wann bestimmte Gene exprimiert werden.
Ähnlich wie genetische Informationen können auch epigenetische Veränderungen durch ein als „Imprinting“ bezeichnetes Phänomen vererbt werden. Im Gegensatz zum relativ stabilen Genom ist das Epigenom jedoch hochdynamisch und wird stark von Umweltfaktoren beeinflusst.
Verschiedene epigenetische Veränderungen regulieren die Genexpression
Epigenetische Veränderungen der DNA, beispielsweise die CpG-Methylierung, verändern die dreidimensionale Konformation des genetischen Materials. Dadurch kann beeinflusst werden, wie eine Nukleinsäuresequenz mit verschiedenen Proteinpartnern, etwa Transkriptionsfaktoren, interagiert. Die Affinität unterschiedlicher Transkriptionsfaktoren für die Sequenz kann erhöht oder vermindert und damit das Muster der Genexpression verändert werden.
Auch chemische Modifikationen von DNA-interagierenden Histonproteinen spielen eine wichtige Rolle bei der epigenetischen Regulation. Veränderungen wie die Methylierung und Acetylierung bestimmter Aminosäuren in Histonproteinen können deren Affinität zur DNA beeinflussen und dadurch verändern, wie eng ein Nukleotidabschnitt um ein Histon gewickelt ist. Stark kondensiertes Heterochromatin ist für die Transkriptionsmaschinerie nicht zugänglich, sodass Gene in diesen Regionen stillgelegt werden.
Chromatin-Immunpräzipitation (ChIP)
Die Chromatin-Immunpräzipitation (ChIP) ist eine der am häufigsten eingesetzten Methoden zur Untersuchung von Wechselwirkungen zwischen DNA und DNA-bindenden Proteinen wie Histonen und Transkriptionsfaktoren.
ChIP gehört zu den leistungsfähigsten Werkzeugen der Epigenetik und ermöglicht es, Interaktionen zwischen DNA-bindenden Proteinen und spezifischen DNA-Sequenzen zu identifizieren und zu charakterisieren.
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Bei einem ChIP-Experiment
werden Antikörper gegen ein Protein von Interesse verwendet, um einen Protein-DNA-Komplex aus der Lösung zu präzipitieren.
Anschließend wird die DNA vom assoziierten Protein getrennt und sequenziert. Dadurch lassen sich Sequenzen charakterisieren, die mit dem jeweiligen Protein von Interesse interagieren.
ChIP ist eine hochsensitive Methode und erfordert in der Regel einen sehr spezifischen Antikörper mit hoher Affinität zu seinem Ziel.
Hinweis:
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Schließlich kann die Genexpression auch durch RNA-Interferenz verändert werden. Dabei können kurze Antisense-RNA-Sequenzen die Genexpression stilllegen, indem sie an Nukleinsäuresequenzen binden und die Transkription durch sterische Behinderung verhindern, Histon- oder DNA-Modifikationen auslösen, die die Transkription blockieren, oder Prozesse anstoßen, die zum Abbau der transkribierten mRNA führen.
Das Zeitalter des Epigenoms
Epigenetische Modifikationen sind vererbbare Veränderungen eines Merkmals oder einer Gruppe von Merkmalen, die nicht auf Veränderungen der eigentlichen Zusammensetzung des genetischen Codes zurückzuführen sind, sondern auf eine subtilere chemische Informationsebene oberhalb der Sequenz. Bereits geringfügige chemische Veränderungen an DNA und ihren Interaktionspartnern können das Expressionsmuster von Genen erheblich verändern. Diese Veränderungen haben weitreichende, messbare phänotypische Auswirkungen auf die Entwicklung und beeinflussen Signale, die zentrale Prozesse wie Morphogenese und Differenzierung steuern. Ein umfassenderes Verständnis des Epigenoms bietet daher erhebliche Potenziale sowohl für die Grundlagenforschung als auch für die biomedizinische Forschung. Diese Perspektiven haben zu einem starken Wachstum des Forschungsfeldes und entsprechender Förderung geführt.
Das NIH Roadmap Epigenomics Project lieferte weitere wichtige Erkenntnisse über den entscheidenden Einfluss des Epigenoms auf das transkriptionelle Potenzial verschiedener Zelltypen. Eine Sammlung von 21 Artikeln , die am 18. Februar 2015 in Nature veröffentlicht wurde, beschreibt das menschliche Epigenom für 111 menschliche Zelltypen . Das Konsortium charakterisierte Muster von Histonmodifikationen, DNA-Zugänglichkeit, DNA-Methylierung und RNA-Expression. Darüber hinaus zeigte es, dass genetische Varianten, die mit Krankheiten und Merkmalen assoziiert sind, in Verbindung mit bestimmten gewebespezifischen epigenomischen Markern angereichert auftreten. Damit entstand eine neue Ressource zur Interpretation der molekularen Grundlagen menschlicher Erkrankungen.
Hinweis:
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Diese Ergebnisse zeigen zusammen mit den Resultaten des ENCODE-Konsortiums von 2012 , dass dank moderner Hochdurchsatzmethoden wie Meth-Seq oder ChIP-seq eine neue Ära der Epigenetikforschung möglich geworden ist. Diese Techniken sind auf hochwertige und validierte Reagenzien angewiesen. Damit bleiben „klassische“ Proteomik-Reagenzien wie Antikörper auch heute für dieses Forschungsfeld ebenso relevant und notwendig wie zuvor. (z. B. Allein auf der ENCODE-Website sind 295 Antikörper aufgeführt, die in den beteiligten Laboren eingesetzt werden.)
