Kon­kre­te Aus­wahl akti­ver Zellen

Von Zel­len muss prä­zi­se kon­trol­liert wer­den, wel­che der vie­len im Erb­gut ent­hal­te­nen Gene sie nut­zen. Dies geschieht in soge­nann­ten Tran­skrip­ti­ons­fa­bri­ken, mole­ku­la­ren Ansamm­lun­gen im Zell­kern. For­schen­de am Karls­ru­her Insti­tut für Tech­no­lo­gie (KIT), an der Fried­rich-Alex­an­der-Uni­ver­si­tät Erlan­gen-Nürn­berg (FAU) und am Max-Planck-Zen­trum für Phy­sik und Medi­zin (MPZPM) haben nun fest­ge­stellt, dass die Bil­dung der Tran­skrip­ti­ons­fa­bri­ken der Kon­den­sa­ti­on von Flüs­sig­kei­ten ähnelt. Ihre Erkennt­nis­se kön­nen künf­tig zum Ver­ständ­nis von Krank­heits­ur­sa­chen bei­tra­gen sowie die Ent­wick­lung DNA-basier­ter Daten­spei­cher vor­an­brin­gen. Die Wis­sen­schaft­le­rin­nen und Wis­sen­schaft­ler berich­ten in Mole­cu­lar Sys­tems Biology.
Das Erb­gut des Men­schen ent­hält mehr als 20 000 ver­schie­de­ne Gene. Aller­dings greift jede Zel­le nur auf einen Bruch­teil der in die­sem Genom gespei­cher­ten Infor­ma­tio­nen zurück. Zel­len müs­sen also genau kon­trol­lie­ren, wel­che Gene sie nut­zen – sonst kann es bei­spiels­wei­se zur Ent­ste­hung von Krebs oder auch zu Stö­run­gen im embryo­na­len Wachs­tum kom­men. Eine zen­tra­le Rol­le bei der Aus­wahl der akti­ven Gene kommt soge­nann­ten Tran­skrip­ti­ons­fa­bri­ken zu.

„Bei die­sen Fabri­ken han­delt es sich um mole­ku­la­re Ansamm­lun­gen im Zell­kern, wel­che die kor­rek­te Aus­wahl der akti­ven Gene und das Aus­le­sen ihrer Sequenz an einem zen­tra­len Ort vereinen.“
— Lenn­art Hil­bert, Juniorprofessor

In weni­gen Sekun­den auf­ge­baut und gestartet

Wie Tran­skrip­ti­ons­fa­bri­ken inner­halb von weni­gen Sekun­den auf­ge­baut und gezielt in Betrieb genom­men wer­den, beschäf­tigt Zell- und Mole­ku­lar­bio­lo­gin­nen und ‑bio­lo­gen seit Jahr­zehn­ten. Ergeb­nis­se der ver­gan­ge­nen Jah­re deu­ten auf die Rele­vanz von Vor­gän­gen hin, die zuvor nur von indus­tri­el­len und tech­ni­schen Poly­mer- und Flüs­sig­ma­te­ria­li­en bekannt waren. Aktu­ell unter­sucht die For­schung beson­ders die Pha­sen­tren­nung als einen zen­tra­len Mecha­nis­mus. Im All­tag zeigt sich die Pha­sen­tren­nung bei­spiels­wei­se bei der Tren­nung von Öl und Was­ser. Bis­her war jedoch nicht geklärt, wie genau die Pha­sen­tren­nung zum Auf­bau von Tran­skrip­ti­ons­fa­bri­ken in leben­den Zel­len beiträgt.
For­schen­de am Insti­tut für Bio­lo­gi­sche und Che­mi­sche Sys­te­me (IBCS), am Zoo­lo­gi­schen Insti­tut (ZOO), am Insti­tut für Ange­wand­te Phy­sik (APH) und am Insti­tut für Nano­tech­no­lo­gie (INT) des KIT haben zusam­men mit Wis­sen­schaft­lern an der Fried­rich-Alex­an­der-Uni­ver­si­tät Erlan­gen-Nürn­berg (FAU), am Max-Planck-Zen­trum für Phy­sik und Medi­zin (MPZPM) in Erlan­gen und an der Uni­ver­si­ty of Illi­nois at Urba­na-Cham­pai­gn/U­SA neue Erkennt­nis­se zur Bil­dung von Tran­skrip­ti­ons­fa­bri­ken gewon­nen: Sie geschieht ähn­lich wie die Kon­den­sa­ti­on von Flüs­sig­kei­ten. Dies zei­gen die Wis­sen­schaft­le­rin­nen und Wis­sen­schaft­ler in einer Publi­ka­ti­on in der Zeit­schrift Mole­cu­lar Sys­tems Bio­lo­gy. Erst­au­torin und Erst­au­tor sind Agnieszka Pan­cho­li vom IBCS-BIP und ZOO des KIT sowie Tim Kling­berg von der FAU und vom MPZPM.

Moderns­te Licht­mi­kro­sko­pie mit Com­pu­ter­si­mu­la­tio­nen kombiniert

In ihrer Publi­ka­ti­on zei­gen die For­schen­den, dass die Kon­den­sa­ti­on bei der Bil­dung von Tran­skrip­ti­ons­fa­bri­ken dem Beschla­gen einer Bril­le oder einer Fens­ter­schei­be ähnelt: Flüs­sig­keit schlägt sich nur in Anwe­sen­heit einer emp­fäng­li­chen Ober­flä­che nie­der, dann aller­dings sehr schnell. In der leben­den Zel­le die­nen spe­zi­ell mar­kier­te Berei­che des Genoms als Kon­den­sa­ti­ons­ober­flä­che. Die mit Flüs­sig­keit umhüll­ten Berei­che erlau­ben das Anhaf­ten rele­van­ter Gen­se­quen­zen sowie zusätz­li­cher Mole­kü­le, wel­che die anhaf­ten­den Gene schließ­lich aktivieren.
Die­se Erkennt­nis­se wur­den im Rah­men einer inter­dis­zi­pli­nä­ren Zusam­men­ar­beit erreicht. So beob­ach­te­ten die For­schen­den Zebra­fi­schembryo­nen mit moderns­ten Licht­mi­kro­sko­pen, die im Team von Pro­fes­sor Gerd Ulrich Nien­haus am APH ent­wi­ckelt wur­den. Die­se Beob­ach­tun­gen wur­den ver­bun­den mit Com­pu­ter­si­mu­la­tio­nen am Lehr­stuhl für Mathe­ma­tik in den Lebens­wis­sen­schaf­ten an der FAU und am MPZPM, den Pro­fes­sor Vasi­ly Zab­ur­da­ev lei­tet. Die Kom­bi­na­ti­on von Beob­ach­tun­gen und Simu­la­tio­nen macht den Kon­den­sa­ti­ons­vor­gang nach­voll­zieh­bar und erklärt, wie leben­de Zel­len schnell und zuver­läs­sig Tran­skrip­ti­ons­fa­bri­ken auf­bau­en können.
Das neue Ver­ständ­nis kon­den­sier­ter Flüs­sig­kei­ten in leben­den Zel­len hat in den ver­gan­ge­nen Jah­ren grund­sätz­lich neue Ansät­ze zur The­ra­pie von Krebs und Erkran­kun­gen des Ner­ven­sys­tems gelie­fert. Die­se Ansät­ze wer­den bereits von erst kürz­lich gegrün­de­ten Unter­neh­men ver­folgt, um neue Medi­ka­men­te zu ent­wi­ckeln. Ande­re For­schungs­ar­bei­ten befas­sen sich mit dem Ein­satz von DNA-Sequen­zen als digi­ta­le Datenspeicher.
Die prin­zi­pi­el­le Mach­bar­keit DNA-basier­ter Daten­spei­cher wur­de inzwi­schen von meh­re­ren Arbeits­grup­pen demons­triert. Infor­ma­tio­nen zuver­läs­sig in sol­chen DNA-Spei­cher­me­di­en zu spei­chern und aus­zu­le­sen, stellt jedoch noch eine Her­aus­for­de­rung dar. „Unse­re For­schung zeigt, wie die bio­lo­gi­sche Zel­le sol­che Vor­gän­ge schnell und gleich­zei­tig zuver­läs­sig orga­ni­siert. Die von uns erstell­ten Com­pu­ter­si­mu­la­tio­nen und Funk­ti­ons­kon­zep­te las­sen sich direkt auf künst­li­che DNA-Sys­te­me über­tra­gen und kön­nen deren Design unter­stüt­zen“, sagt Hilbert.