Studien zeigen, wie die 3D-Faltung des Genoms die frühe menschliche Entwicklung und die Meiose prägt

Zwei Studien von Forschenden des MRC Laboratory of Medical Sciences (LMS) und des Imperial College London zeigen, wie die dreidimensionale Architektur des Genoms die Genaktivität während der frühen menschlichen Entwicklung vorbereitet. Die eine Studie, veröffentlicht in Cell Reports, zeigt, dass Enhancer lange bevor diese Gene aktiviert werden, physische Kontakte zu ihren künftigen Zielgenen aufbauen und sie so für eine schnelle Aktivierung vorauswählen. Die andere, veröffentlicht in Nature Structural & Molecular Biology, stellt fest, dass embryonale Keimzellen vor der Meiose ihre Chromosomen auf einzigartige Weise umorganisieren – ein Schritt, der für die Erzeugung funktionsfähiger Spermien und Eizellen im Labor entscheidend sein könnte.

Jede Zelle des Körpers enthält denselben Satz an Genen. DNA-Abschnitte, sogenannte Enhancer, wirken als „molekulare Schalter“, die Gene im richtigen Zelltyp und unter den richtigen Bedingungen an- und ausschalten. Da sich Enhancer auf dem DNA-Faden oft weit entfernt von den Genen befinden, die sie kontrollieren, müssen sie durch DNA-Schleifenbildung im dreidimensionalen Raum des Zellkerns in räumliche Nähe gebracht werden. Mithilfe einer hochauflösenden Technik namens Capture Hi-C kartierte das Team die chromosomalen Kontakte von Enhancern in menschlichen pluripotenten Stammzellen, die vom naiven in den primierten Zustand übergehen – ein kritisches Fenster in der frühen menschlichen Embryogenese, in dem Zellen entscheidende Veränderungen bei Genexpression, Chromatinzustand und Entwicklungspotenzial durchlaufen. In dieser Zeit erlangen viele Enhancer, die für die Embryonalentwicklung zuständige Gene steuern, einen intermediären, ‚poised‘-Chromatinzustand zwischen ‚an‘ und ‚aus‘ und bauen physische Verbindungen zu ihren künftigen Zielgenen auf.

Die Ergebnisse zeigen, dass viele Enhancer lange bevor diese Gene aktiviert werden, chromosomale Kontakte mit Genen aufbauen, und diese vorgebildeten Kontakte bleiben oft erhalten, bis die Gene später aktiviert werden müssen. Um die funktionelle Bedeutung dieser Vorverkabelung zu testen, schaltete das Team mithilfe von CRISPR gezielt einen ‚poised‘-Enhancer künstlich an. Dadurch wurde ein Gen aktiviert, das bereits in 3D mit dem Enhancer verbunden war, nicht jedoch ein näher auf dem Chromosom gelegenes Gen ohne einen solchen Kontakt. Der leitende Autor der Studie sagte: „Bevor überhaupt eine Genexpression stattgefunden hat, ist das Genom bereits darauf eingerichtet, die richtigen Enhancer zu aktivieren. Dies ist ein grundlegender Prozess, der dazu beiträgt, die Zellidentität im Laufe des Lebens zu definieren.“ Die Arbeit ergänzt eine weitere kürzlich vom Institut veröffentlichte Studie, die die 3D-Genom-Blaupause der ersten Schritte der Embryonalentwicklung bei Drosophila zeigt.

In der zweiten Studie konzentrierten sich die Forschenden auf Keimzellen – die embryonalen Vorläuferzellen von Eizellen und Spermien. Bevor diese Zellen zu Gameten heranreifen können, durchlaufen sie eine epigenetische Reprogrammierung, bei der chemische Markierungen auf der DNA entfernt und neu gesetzt sowie die Verpackung der DNA in der Zelle umorganisiert werden. Diese Rückstellung bereitet die Zellen auf die Meiose vor. Bei der Untersuchung von Maus-Keimzellen unter dem Mikroskop stellte das Team fest, dass etwa 14,5 Tage nach der Befruchtung die eingeschnürte Region der Chromosomen – das Zentromer – am Rand des Zellkerns verankert wird. Dasselbe Phänomen war in frühen Keimzellen menschlicher Embryonen 14 Wochen nach der Empfängnis sichtbar. Die Hi-C-Analyse zeigte, dass an diesem Übergangspunkt die dreidimensionale Organisation des Genoms weniger strukturiert wird und die Chromosomen im Zellkern stärker voneinander getrennt sind. Nach Angaben des Erstautors ist dies das erste Mal, dass diese Veränderung der Chromosomenkonformation in diesem entscheidenden Entwicklungsstadium unmittelbar vor Beginn der Meiose beobachtet wurde.

Dieser Befund könnte dazu beitragen, eine große Herausforderung der Reproduktionsbiologie zu erklären: die Rekonstruktion der Meiose im Labor. Im Labor erzeugte keimzellähnliche Zellen (primordial germ cell–like cells, PGCLCs) schaffen es oft nicht, alle Schritte der Meiose abzuschließen. Das Team untersuchte im Labor erzeugte PGCLCs aus Mäusen und beobachtete die gleiche Zentromer-Wanderung nicht. Das deutet darauf hin, dass diese strukturelle Veränderung für einen ordnungsgemäßen Ablauf der Meiose erforderlich sein könnte. Der leitende Autor sagte: „Unsere Studie hat eine bisher unbekannte und offen gesagt sehr überraschende Umstrukturierung der Genomarchitektur entdeckt, die in sich entwickelnden Keimzellen stattfindet und von der wir glauben, dass sie für eine erfolgreiche Durchführung der Meiose entscheidend ist.“ Die Ergebnisse liefern einen neuen Rahmen für die Verbesserung der In-vitro-Gametogenese, die zu neuen Behandlungen für Unfruchtbarkeit führen könnte.

Die Cell-Reports-Studie wurde vom Medical Research Council, dem Biotechnology and Biological Sciences Research Council und dem Wellcome Trust finanziert. Die in Nature Structural & Molecular Biology veröffentlichte Studie wurde vom Medical Research Council, dem European Research Council, der Academy of Medical Sciences und dem Department of Business, Energy and Industrial Strategy finanziert.