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Gen an, Gen aus - neue Erkenntnisse in der Epigenetik

Eine aktuelle Studie des Max-Planck-Institut für Psychiatrie ermöglicht ein besseres Verständnis epigenetischer Veränderungen unserer DNA und zeigt, welche Auswirkungen Methylierungsveränderungen auf funktionaler Ebene haben können.

Mechanistische Rolle von DNA-Veränderungen während Differenzierung nachgewiesen

Eine aktuelle Studie des Max-Planck-Institut für Psychiatrie ermöglicht ein besseres Verständnis epigenetischer Veränderungen unserer DNA und zeigt, welche Auswirkungen Methylierungsveränderungen auf funktionaler Ebene haben können.

Manche Gene werden aktiv, manche nicht. Das hat mit epigenetischen Mechanismen zwischen den Genen zu tun. Einer der wichtigsten solcher Mechanismen ist die DNA-Methylierung. Bisherige Studien ließen nur bedingt Schlüsse darüber zu, ob solche Veränderungen an der DNA Ursache oder Konsequenz anderer Vorgänge sind. Das Max-Planck-Institut für Psychiatrie (MPI) konnte zusammen mit seinen Kooperationspartnern nun zeigen, welche Auswirkungen DNA-Methylierungsveränderungen auf funktionaler Ebene haben können. Dies ist wichtig, um die Regulation von Entwicklungsvorgängen durch epigenetische Veränderungen insgesamt besser zu verstehen. Die Ergebnisse wurden jetzt in der Fachzeitschrift Cell Stem Cell veröffentlicht.

Erkenntnisse durch gezieltes Abschalten der DNA-Methylierung 

Die Wissenschaftler am MPI verwandelten mit ihren Kollegen an der Northwestern University in Chicago und dem Max-Planck-Institut für Molekulare Genetik in Berlin pluripotente Stammzellen in Motor-Nervenzellen, die im Rückenmark zu finden sind. Während dieses Differenzierungsprozesses schalteten sie die Kapazität der Zellen, neue DNA-Methylierungsmuster zu etablieren aus, um mehr über deren mechanistische Rolle herauszufinden. Dafür nutzten sie verschiedene Technologien, die Rückschlüsse auf den epigenetischen Zustand zuließen und anzeigten, welche Zellen aktiv waren und welche nicht.

Sie entdeckten eine Verschiebung hin zu verschiedenen Zelltypen, die während der Differenzierungsphase hergestellt wurden: In der Gruppe mit defekter DNA-Methylierungskapazität wurden weit weniger Motor-Neuronen gebildet; dafür wurden zum Teil andere Zellen produziert. Die Wissenschaftler konnten diese Veränderung in zellulärer Identität und Physiologie mit veränderten DNA-Methylierungsmustern an spezifischen Stellen im Genom assoziieren. Weiterhin gelang es ihnen durch gezielte Modifikationsexperimente basierend auf Epigenom-Editierung die Kausalität dieser spezifischen Veränderungen für die beobachteten Veränderungen zu demonstrieren. 

Auswirkungen auf Zellidentität

Damit konnte der kausale Zusammenhang von DNA-Methylierungsveränderungen und einer veränderten Entwicklung von Zellen nachgewiesen werden. "Gibt es an ganz bestimmten Stellen des Genoms Veränderung im DNA Methylierungsmuster, so hat das Auswirkungen auf die Identität der generierten Zellen", fasst Erstautor Michael Ziller vom MPI das Ergebnis zusammen.

Die Frage, die sich daraus ergibt, ist, welche Veränderungen relevant sind, denn nicht alle ziehen Konsequenzen für die Bildung neuer Zellen nach sich. Die Studie stellt Strategien vor, wie man hier zu weiteren Ergebnissen kommen kann.