Epigenetik: Retrotransposons übernehmen Schlüsselrolle bei der Embryonalentwicklung

Steuerung des Entpackens des Chromatins

Experten schätzen, dass das Erbgut von Säugetieren wohl zur Hälfte aus sogenannten Retrotransposons besteht. Dabei handelt es sich um mobile Zwischenstufen der RNA. Obwohl diese Retrotransposons sehr häufig sind, kennen Wissenschaftler sie nicht sonderlich genau. Unklar ist beispielsweise ihre Bedeutung.

Forscher des Instituts für Epigenetik und Stammzellen (IES) am Helmholtz Zentrums in München und der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) zeigten nun gemeinsam mit Kollegen aus den USA, welche Rolle die Retrotransposons in der Embryonalentwicklung spielen. Über ihre Ergebnisse berichten Sie im Fachmagazin Nature Genetics.

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So einfach wie bei der Kaulquappe lässt sich die Embryonalentwicklung bei Säugetieren nicht studieren. Münchner Forscher sind gerade dabei, die Bedeutung von Retrotransposons bei der frühen Embryogenese zu klären, denn obwohl diese mobile Zwischenstufen der RNA sehr häufig vorkommen, wusste die Wissenschaft bislang kaum etwas über sie.

 

Auslesen des Bauplans im Erbgut muss klappen

Die sogenannten LINE1-Elemente (L1) sind die häufigsten Retrotransposons bei Säugetieren. Genau diese wurden vom Forscherteam unter die Lupe genommen. Die Wissenschaftler wussten bereits, dass die L1-Elemente besonders oft während der frühen Embryonalentwicklung abgelesen werden. Doch ob das wichtig ist und was damit genau gesteuert wird, war bislang unbekannt.

Für ihre Versuche nutzen die Münchner Forscher ein Modell. Hier konnten sie zeigen, dass besonders im Zwei-Zell-Stadium des Embryos die größte Expression der L1-Elemente stattfindet. Unter Expression von Genen verstehen Experten, dass der von der DNA gespeicherte Bauplan für einzelne Moleküle und Proteine ausgelesen und umgesetzt wird, indem das Gen am entsprechenden Erbgut-Abschnitt aktiviert wird. Dafür sind Methylgruppen zuständig. Sie fungieren als eine Art von Lesezeichen.

Sobald sich der Embryo in die Gebärmutter einnistet, sinkt die Expression der L1-Elemente deutlich. Um die Rolle der Beobachtung untersuchen zu können, wurde im nächsten Schritt die Aktivität der Retrotransposons verändert. Dazu nutzte das Forscherteam künstliche Transkriptionsfaktoren, die sogenannten TALE (Transcription Activator Like Effector). Ein Zuviel oder Zuwenig an L1-Expresion bringt die Entwicklung des Embryos zum Stillstand. Damit steht fest, dass sowohl die Aktivität als auch das exakte Timing der Retrotransposons eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung des Embryos einnehmen. Kommen sie durcheinander, so gibt es keine nachgeordneten Entwicklungsschritte mehr.

 

Zugang zu den Genen erfolgt nur über das Chromatin

Bei der Analyse gab es für die Experten ein paar Überraschung. Offensichtlich ist der Mechanismus nicht von der genauen genetischen Sequenz der Elemente abhängig. Auch die Fähigkeit, im Genom zu springen, spielt zunächst keine Rolle. Die Schlüsselstelle ist das Chromatin. Hierbei handelt es sich um die dichtgepackte DNA, die um sogenannte Histone gewickelt ist. Durch die Expression von L1 öffnet sich das Chromatin und ermöglicht so ein Ablesen der darin verpackten Gene. Fällt die Expression von L1 zu gering aus, so bleibt der Zugang zu den Genen verwehrt.

Offensichtlich formen die Retrotransposons die „Chromatin-Landschaft“ im Laufe der Entwicklung des Embryos. Die These, dass ihre Aktivierung lediglich ein Nebeneffekt der Befruchtung ist, in deren Zuge sich das Chromatin neu ordnet, muss dringend überdacht werden. Die Münchner Studie weist den Retrotransposons neue Funktionen am Beginn des Lebens zu.

Im nächsten Schritt will die Forschergruppe andere Transposons untersuchen und deren Eigenschaften besser verstehen. Die Münchner Wissenschaftler sind überzeugt, dass der Weg zum Verständnis der frühen Embryonalentwicklung nur über die Transposons führen kann. Dieser Teil des Erbguts scheint offensichtlich eine wichtige Rolle in der entscheidenden Entwicklungsphase zu spielen – nämlich wenn sich aus der Zygote, der befruchteten Eizelle und damit der Urstammzelle, sämtliche Körperzelltypen entwickeln. Erkenntnisse auf diesem Gebiet dürften vor allem für die Regenerative Medizin interessant sein, denn sie möchte letztlich vollfunktionsfähige Ersatzorgane in der Petrischale züchten.

 

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