Biologen entschlüsseln ein weiteres Rätsel, was DNA "schleimig" macht

Anonim

Wissenschaftler entdeckten einen weiteren Schlüssel dafür, wie die DNA Schleifen und Hüllen im Zellkern bildet - eine präzise Methode des "Packens", die die Genexpression beeinflussen kann.

Die Zeitschrift Science veröffentlichte die Forschung von Biologen der Emory University und zeigte, dass ein Prozess, der als Hemimethylierung bekannt ist, eine Rolle spielt, wenn man DNA in einer bestimmten Art und Weise schleifen lässt. Die Forscher zeigten auch, dass die Hemimethylierung bewusst aufrechterhalten wird - nicht durch zufällige Fehler, wie zuvor angenommen - und durch menschliche Zellgenerationen weitergegeben wird.

"Damit ein Protein namens CTCF Schleifen in der DNA bildet, haben wir entdeckt, dass es hemimethylierte DNA in der Nähe haben muss", sagt der Emory-Biologe Victor Corces, dessen Labor die Forschung durchgeführt hat. "Niemand hatte zuvor gesehen, dass hemimethylierte DNA eine Funktion hat."

Chromatin besteht aus CTCF und anderen Proteinen zusammen mit DNA und RNA. Eine Rolle von Chromatin ist das Falten und Verpacken von DNA in kompaktere Formen. Immer mehr Hinweise deuten darauf hin, dass dieser Faltungsprozess nicht nur wichtig ist, um DNA in einen Zellkern zu integrieren - er spielt auch eine Rolle bei der Frage, ob Gene normal exprimiert werden oder nicht.

Das Corces-Labor ist auf Epigenetik spezialisiert: Die Untersuchung erblicher Veränderungen der Genfunktion - einschließlich der Chromatinfaltung -, die keine Veränderungen der DNA-Sequenz beinhalten.

Die DNA-Methylierung kann beispielsweise die Aktivität von DNA modifizieren, indem Methylgruppen an beiden Strängen der Doppelhelix an der Stelle bestimmter Basenpaare addiert werden. Der Prozess kann durch Demethylierung rückgängig gemacht werden.

Wenn Zellen sich teilen, machen sie eine Kopie ihrer DNA. Um dies zu tun, müssen sie die beiden DNS-Stränge entwirren und auseinander spalten. Jeder parentale Strang repliziert dann einen Tochterstrang.

"Wenn sich Zellen teilen, ist es wichtig, dass sie die Methylierung für beide Stränge gleich halten", sagt Corces und bemerkt, dass veränderte Methylierungsmuster mit Krebs und anderen Krankheiten in Verbindung gebracht werden.

Hemimethylierung umfasst die Addition einer Methylgruppe an einen Strang der DNA-Helix, aber nicht die andere. Einige Forscher, die Hemimethylierung beobachten, haben die Hypothese aufgestellt, dass sie es direkt nach der Zellteilung fangen, bevor die Zelle Zeit hatte, sich vollständig zu replizieren, um einen Tochterstrang zu bilden. Eine andere Theorie war, dass Hemimethylierung das Ergebnis zufälliger Fehler im Methylierungsprozess war.

Chenhuan Xu, ein Postdoc im Corces-Labor, entwickelte neue experimentelle Methoden für die DNA-Methylome-Kartierung, um die Forschung für das Science-Paper durchzuführen. Mit diesen Methoden konnten die Forscher die Hemimethylierung von DNA in menschlichen Zellen in Echtzeit vor, während und nach der Zellteilung beobachten. Sie kartierten es auch, während die Zellen fortfuhren, sich zu replizieren.

"Wenn die parentale DNA hemimethyliert wurde, wurde die Tochter-DNA an derselben Stelle im Genom hemimethyliert", sagt Corces. "Der Prozess ist nicht zufällig und wird von einer Zellengeneration zur nächsten über Wochen beibehalten."

Die Forscher fanden heraus, dass Hemimethylierung nur in der Nähe der Bindungsstellen von CTCF stattfindet - dem Hauptprotein, das an der Organisation von DNA in Schleifen beteiligt ist. "Wenn wir die Hemimethylierung loswerden, hat CTCF keine Schleifen gemacht", sagt Corces. "Irgendwie ermöglicht die Hemimethylierung CTCF, Schleifen zu bilden."

Und wenn CTCF eine Schleife macht, tut sie dies, indem sie vorwärts bindet, vorwärts in der DNA-Sequenz, beobachteten sie.

"Die Forschung legt nahe, dass einige Störungen mit der CTCF-Bindung assoziiert sind - entweder Mutationen im Protein selbst oder mit der DNA-Sequenz, an die das Protein bindet", sagt Corces. "Es kommt auf die Geschichte zurück, wie wichtig diese Schleifen für die dreidimensionale Organisation von Chromatin sind und wie diese Organisation die Genexpression beeinflusst."

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