Die Chromosomen sehen eigentlich ganz anders aus als die Bilder aus den Schulbüchern der High School.

0

Hochauflösende 3D-Bilder von menschlichen Chromosomen in einzelnen Zellen zeigen, wie die DNA-Struktur ihre Funktion beeinflussen könnte.

In Schulbüchern der Sekundarstufe werden menschliche Chromosomen als schiefe X wie zwei zusammengepferchte Hotdogs dargestellt. Aber diese Bilder sind alles andere als genau. “In 90 Prozent der Fälle”, so Jun-Han Su, “existieren die Chromosomen so nicht”.

Letztes Jahr, bevor Su seinen Doktortitel erhielt, nahm er zusammen mit drei aktuellen Doktoranden der Graduate School of Arts and Sciences – Pu Zheng, Seon Kinrot und Bogdan Bintu – hochauflösende 3D-Bilder von menschlichen Chromosomen auf, den komplexen Häusern für unsere DNA. Nun könnten diese Bilder genügend Beweise liefern, um diese X in komplexere, aber weitaus genauere Symbole zu verwandeln, um nicht nur die nächste Generation von Wissenschaftlern zu unterrichten, sondern auch der jetzigen Generation zu helfen, Rätsel darüber zu lösen, wie die Chromosomenstruktur die Funktion beeinflusst.

Alle Lebewesen, auch der Mensch, müssen neue Zellen schaffen, um die Zellen zu ersetzen, die zu alt und abgenutzt sind, um zu funktionieren. Um das zu tun, teilen sich die Zellen und replizieren ihre DNA, die in labyrinthartigen Bibliotheken im Chromatin, dem Stoff innerhalb der Chromosomen, verpackt ist. In gerader Linie verlängert, kann die DNA in einer einzigen Zelle bis zu zwei Meter lang sein, und all dies wird in einem Zellkern in enge, komplexe Strukturen gewickelt. Ein einziger Fehler beim Kopieren oder Zurückspulen dieses genetischen Materials könnte zu Genmutationen oder Fehlfunktionen führen.

Es ist schwierig, nah genug heranzuzoomen, um die Chromatinstruktur zu sehen. Aber es ist noch schwieriger, sowohl die Struktur als auch die Funktion zu sehen. Jetzt berichten Zhuang und ihr Team in einer im August in der Zeitschrift Cell veröffentlichten Arbeit über eine neue Methode, die Struktur und Verhalten des Chromatins zusammen abzubilden, indem sie die Punkte miteinander verbinden, um zu bestimmen, wie der eine den anderen beeinflusst, um die richtige Funktion aufrechtzuerhalten oder Krankheiten zu verursachen.

“Es ist ziemlich wichtig, die 3D-Organisation zu bestimmen”, sagte Zhuang, die David B. Arnold, Jr. Professor der Wissenschaft, “um die molekularen Mechanismen zu verstehen, die der Organisation zugrunde liegen, und auch um zu verstehen, wie diese Organisation die Funktion des Genoms reguliert”.

Mit ihrer neuen hochauflösenden 3D-Bildgebungsmethode begann das Team damit, eine Chromosomenkarte zu erstellen, und zwar sowohl aus Breitlinsenbildern aller 46 Chromosomen als auch aus Nahaufnahmen eines Abschnitts eines Chromosoms. Um etwas abzubilden, das noch zu klein ist, um es abzubilden, erfassten sie miteinander verbundene Punkte (“genomische Loci”) entlang jeder DNA-Kette. Indem sie viele Punkte miteinander verbanden, konnten sie sich ein umfassendes Bild der Chromatinstruktur machen.

Aber es gab einen Haken. Zuvor, so Zhuang, war die Anzahl der Punkte, die sie abbilden und identifizieren konnten, durch die Anzahl der Farben, die sie zusammen abbilden konnten, begrenzt: drei. Drei Punkte können kein umfassendes Bild ergeben.

Also haben Zhuang und ihr Team einen sequenziellen Ansatz entwickelt: Sie bildeten drei verschiedene Loci ab, löschten das Signal und bildeten dann drei weitere in schneller Folge ab. Mit dieser Technik erhält jeder Punkt zwei Erkennungszeichen: Farbe und Bild rund.

“Jetzt haben wir tatsächlich 60 Loci gleichzeitig abgebildet und lokalisiert und, was wichtig ist, identifiziert”, sagte Zhuang.

Doch um das gesamte Genom abzudecken, brauchten sie noch mehr – Tausende – und so wandten sie sich einer Sprache zu, die bereits zur Organisation und Speicherung riesiger Informationsmengen verwendet wird: Binär. Indem sie binäre Strichcodes auf verschiedene Chromatin-Loci aufdruckten, konnten sie viel mehr Loci abbilden und ihre Identitäten später entschlüsseln. Zum Beispiel erhält ein Molekül, das in Runde eins, aber nicht in Runde zwei abgebildet wurde, einen Strichcode, der mit “10” beginnt. Mit 20-Bit-Strichcodes konnte das Team 2.000 Moleküle in nur 20 Bildgebungsrunden differenzieren. “Auf diese kombinatorische Weise können wir die Anzahl der Moleküle, die bildgebend erfasst und identifiziert werden, viel schneller erhöhen”, so Zhuang.

Mit dieser Technik nahm das Team etwa 2.000 Chromatin-Loci pro Zelle auf, mehr als zehnmal so viele wie in der früheren Arbeit und genug, um ein hochauflösendes Bild davon zu erhalten, wie die Struktur der Chromosomen in ihrem ursprünglichen Lebensraum aussieht. Aber das war noch nicht alles: Sie stellten auch die Transkriptionsaktivität (wenn RNA genetisches Material von der DNA repliziert) und Kernstrukturen wie Kernflecken und Nukleoli dar.

Mit ihren 3D-Google-Maps des Genoms konnten sie damit beginnen, zu analysieren, wie sich die Struktur im Laufe der Zeit verschiebt und wie diese territorialen Bewegungen die Zellteilung und Replikation unterstützen oder beeinträchtigen.

Die Forscher wissen bereits, dass das Chromatin in verschiedene Gebiete und Domänen (wie Wüsten und Städte) aufgeteilt ist. Aber wie diese Gebiete in verschiedenen Zelltypen aussehen und wie sie funktionieren, ist noch unbekannt. Mit ihren hochauflösenden Bildern stellten Zhuang und sein Team fest, dass Gebiete mit vielen Genen (“genreich”) dazu neigen, auf jedem Chromosom zu ähnlichen Bereichen zu strömen. Bereiche mit wenigen Genen (“genschwach”) kommen jedoch nur dann zusammen, wenn sie das gleiche Chromosom teilen. Eine Theorie besagt, dass genreiche Bereiche, die aktive Stellen für die Transkription von Genen sind, wie eine Fabrik zusammenkommen, um eine effizientere Produktion zu ermöglichen.

Bevor diese Theorie bestätigt werden kann, ist zwar noch weitere Forschung erforderlich, aber eines ist jetzt sicher: Die lokale Chromatinumgebung beeinflusst die Transkriptionsaktivität. Die Struktur beeinflusst die Funktionen

Share.

Leave A Reply