01.10.2020

Eine 3D-Landkarte des Erbguts

Molekularbiolog/innen der ÖAW haben eine neue Methode entwickelt, um erstmals dreidimensional zu erfassen, wie sich neu hergestellte DNA organisiert und wie sich Schwester-Chromosomen zueinander verhalten. Die aktuelle Studie ist im Fachmagazin Nature erschienen.

Durch eine Kartierung des Erbguts lässt sich die Funktion von wichtigen Molekülen bestimmen, welche die DNA falten und verknüpfen.
Durch eine Kartierung des Erbguts lässt sich die Funktion von wichtigen Molekülen bestimmen, welche die DNA falten und verknüpfen. © IMBA/ÖAW

Unsere DNA beinhaltet die Summe aller genetischen Informationen für einen Organismus und wäre – wenn man sie auseinanderziehen würde – unglaubliche zwei Meter lang. Um in einen Zellkern zu passen, ist unser Erbgut komplex aufgewickelt und gefaltet, vergleichbar etwa mit einem 20 Kilometer langen Faden, der in einen Tennisball zusammengeknüllt wird. Bei jeder Teilung wird das Erbgut auf zwei Tochterzellen aufgeteilt und muss wiederum richtig gefaltet und verpackt werden – ein im wahrsten Sinne „verwirrender“ Prozess.

Räumliche Anordnung der DNA-Moleküle kartiert

Die Frage nach der dreidimensionalen Organisation unserer DNA ist eines der großen Rätsel der Zellbiologie. Denn um Gene zu aktivieren oder zu unterdrücken, müssen Bereiche, die gar nicht in unmittelbarer Nähe auf der DNA liegen, miteinander in Kontakt kommen. Möglich wird dies, weil sich die DNA gezielt faltet und so organisiert, dass gewisse Passagen im Erbgut sich räumlich näherkommen. Auch bei Reparaturvorgängen ist die dreidimensionale Organisation der DNA-Stränge wesentlich, damit wie durch eine Sicherheitskopie fehlerhafte Passagen im Erbgut ausgebessert werden können. Bislang war es der Forschung nicht möglich, die räumliche Organisation neu hergestellter Schwester-DNA-Moleküle zu bestimmen und Kontaktpunkte zwischen den beiden Strängen zu finden.

Eine am IMBA – Institut für Molekulare Biotechnologie der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) entwickelte Technologie macht dies nun erstmals möglich. In Zusammenarbeit mit der Universität Innsbruck wurde eine spezielle Methode realisiert. „Mit unserer neuen scsHi-C Methode (sister chromatid sensitive chromosome conformation capture) können wir die relative räumliche Anordnung der beiden replizierten Schwester-DNA-Moleküle in jedem Chromosom kartieren. Dabei werden die beiden DNA-Stränge unterschiedlich chemisch markiert. Diese Markierungen lassen sich anschließend durch Sequenzierung leicht erfassen“, erklärt Michael Mitter, Doktorand am IMBA der ÖAW und Erstautor der aktuellen Publikation in Nature.

Neue Fragestellungen in der Biologie

Es ist ein Trick, der es den Forscher/innen nun möglich macht, Kontaktpunkte sowohl innerhalb der DNA als auch zwischen den beiden Kopien zu bestimmen. Durch eine Kartierung dieser Kontaktpunkte konnte das Team rund um Daniel Gerlich, Gruppenleiter am IMBA der ÖAW, die Funktion von wichtigen Molekülen bestimmen, welche die DNA falten und verknüpfen, und somit die ausgeklügelte 3D-Organisation des Erbguts mitsteuern.

„Mit der Entwicklung der scsHi-C Technologie ist es uns möglich, bisher unerforschte biologische Fragestellungen, wie etwa die räumliche Organisation des Genoms bei Reparaturvorgängen im Erbgut zu untersuchen“, so Daniel Gerlich über das vom WWTF – dem Wiener Wissenschafts-, Forschungs- und Technologiefonds – finanzierte Forschungsprojekt, das breite technologische Anwendungen in Aussicht stellt.

 

AUF EINEN BLICK

Publikation:

„Conformation of sister chromatids in the replicated human genome“, Mitterer et al., Nature, 2020
DOI: 10.1038/s41586-020-2744-4

 


Newsletter
Forschungs-News, Science Events & Co: Jetzt zum ÖAW-Newsletter anmelden!