Pausen in der Genom –
Pausen und rearrangements im Genom führen zu schweren Erkrankungen, auch wenn alle Gene intakt bleiben. Hi-C, eine Methode für die Zuordnung der drei-dimensionalen Struktur der Chromosomen, die mehr verspricht zuverlässige und genaue Diagnosen solcher Mängel, aber nicht in der Klinik noch. Ein team von Forschern am Max-Planck-Institut für Molekulare Genetik und der Charité–Universitätsmedizin Berlin führte durch Humangenetiker Malte Spielmann, Stefan Mundlos analysiert klinischen Proben von Patienten mit genetischen Entwicklungsstörungen mit dem Hi-C-Methode.
Bereits eine mutation im Erbgut können schwerwiegende Folgen haben. Jedoch, der Verlust von großen teilen des Genoms oder Ihre Verlagerung auf neue Positionen können ebenfalls drastische Auswirkungen haben. Häufig werden die Zellen mit solcher Mängel sind nicht einmal lebensfähig, da Verlust oder die Veränderung der Gene führt zu einem Verlust von wichtigen Funktionen.
Auch wenn alle Gene intakt bleiben nach einer chromosomalen brechen, können schwerwiegende Probleme auftreten. DNA-Segmente verantwortlich für die Steuerung anderer Gene kann man die falsche Lage, die Aktivierung der Gene zur falschen Zeit oder Ort. Folglich, Krebs, neurodegenerative Erkrankungen oder Entwicklungsstörungen entstehen können.
Untersuchung der Genom-loops
Trotz der riesigen Fortschritte in der genetischen Tests, die Identifikation der genetischen Ursachen dieser Krankheiten ist nach wie vor schwierig. „In über der Hälfte der Fälle eine genetische Diagnose ist nicht möglich, was die Patienten mit der Unsicherheit der Ursprung des Problems“, sagt Stefan Mundlos vom Max-Planck-Institut für Molekulare Genetik und der Charité – Universitätsmedizin Berlin. „In einigen Fällen, auch die Sequenzierung des gesamten Genoms nicht helfen.“
Wie das team um Humangenetiker Stefan Mundlos und Malte Spielmann beschreiben in der aktuellen Ausgabe des American Journal of Human Genetics, eine Methode aus der Grundlagenforschung könnten die Verbesserung der klinischen Diagnose deutlich an einem gewissen Punkt in der Zukunft. Die Forscher wandten eine Methode namens „Hi-C“ (High-throughput-Chromosom-Conformation-Capture) für die Proben von Patienten mit Entwicklungsstörungen Verdacht auf, verursacht durch chromosomale rearrangements. Die Hi-C-Analyse zeigt, welche Teile des Genoms nahe zueinander kommen im Zellkern. Chromosomale rearrangements können diese verändern interaction patterns und kann somit gesehen werden, die in der Analyse.
Das team untersucht den klinischen Proben aus Blut, Haut und Fruchtwasser von neun Patienten mit chromosomalen Brüche, ohne Schäden zu bekannten Genen. „Wir fragten, können wir verwenden, Hi-C, zu reproduzieren, die klinischen Befunde oder können wir noch mehr sehen?“, sagt Spielmann, der die Studie zusammen mit Mundlos. „In der Tat, die Ergebnisse waren sehr viel komplexer als wir erwartet haben.“
Hi-C untangles sehr unorganisiert Chromosomen
Die klassische Analyse von chromosomenstörungen erfolgt durch eine karyogram, die eine mikroskopische Ansicht der gefärbten Chromosomen. Eine andere Methode, genannt vergleichenden Genom-Hybridisierung, arbeitet mit fluoreszierenden DNA-Schnipsel und zeigt Lücken und Duplikationen im Genom mehr genau. Beide Methoden sind relativ grob. „Es ist sichtbar, wenn etwas falsch ist, auf einem groben Maßstab, aber es ist schwer zu sagen was genau falsch ist“, sagt Uirá Souto Melo. Er, zusammen mit Rocio Acuna-Hidalgo und Robert Schöpflin, sind die ersten Autoren dieser Veröffentlichung.
Es ist wichtig, nicht nur sehen, wo die Brüche im Erbgut sind, sondern auch, welche Teile des DNA-Moleküls sind in engem Kontakt mit einander in den Zellkern, erklärt der Wissenschaftler. „Die DNA ist nicht zufällig verpackt im Zellkern“, erklärt Melo. „Stattdessen DNA ist unglaublich gut organisiert, mit mehreren Ebenen der Organisation und sehr definierten Territorien, obwohl auf den ersten Blick nicht so aussieht.“ So weit, die Hi-C-Methode ist der einzige Weg, um genau zu anzeigen die zahlreichen Schlingen und Schleifen von DNA-Genom-weiten.
Schleifen und Dreiecke
Melo durchgeführt Hi-C auf die Patienten-Zellen durch Behandlung mit Chemikalien, permanent tether Segmente der benachbarten DNA zu einander zuerst, dann die Zerstückelung des Genoms und schließlich die Sequenzierung von kleinen Stücken. Fragmente, die ursprünglich in der Nähe der Zellkern auftreten, gemeinsam in der Sequenzierung später.
Nach der bioinformatischen Analyse, die Häufigkeit der Kontakte wird sichtbar in der so genannten heat maps, in denen die Farbe, die Intensität jedes Punktes gibt an, wie oft zwei genomischen Regionen, die in der Probe berührt. „Teile des Genoms mit intensiven Kontakte innerhalb der region und einige Isolierung gegen die benachbarten Regionen erscheinen als charakteristische dreieckige Formen in die heatmap“, sagt Bioinformatiker Robert Schöpflin. „Solche Regionen bilden große Schleifen innerhalb der DNA, die eine wichtige Rolle spielen, funktionell zu organisieren regulatorische Sequenzen und die Gene.“ Die Regionen werden als „topologisch verknüpfte domains“ (TADs); Sie repräsentieren Regionen mit hoher Interaktion in der 3-D-Raum.
Die Bedeutung von Grenzen
Chromosomale Brüche führen oft zu einer Störung der chromatin-Domänen, manchmal mit schwerwiegenden Folgen. „Stell dir vor, diese Bereiche als Kammern in einem Glas-tank mit öl, Wasser und Salz in den einzelnen Kammern“, sagt Melo. „Wenn die Grenze zwischen Ihnen bricht, wird der Inhalte-mix und die Komposition, die in jeder Kammer offensichtlich verpasst.“
Ähnlich, ohne TAD Grenzen, control-Funktionen mit einem domain-Spillover zu anderen regulatorischen Sequenzen aus einem DNA-Schleife beeinflussen Gene, die in einer Schleife für die Sie nicht verantwortlich sind. Dies kann dazu führen, aberrante Aktivierung von Genen durch falsche regler. „Wenn eine Grenze zwischen zwei Domänen entfernt wird oder wenn der Inhalt der beiden Domänen ist getauscht, ein gen, das normalerweise aktiv in die Entwicklung des Körpers können aktiviert, zum Beispiel im Gehirn“, sagt der Wissenschaftler.
In den klinischen Proben untersucht, die das team war in der Lage zu bestätigen nicht nur die bisherigen Erkenntnisse und geben Sie die Wirkung der falsch organisierten BISSCHEN Schleifen. Sie fanden sogar ein paar zusätzliche Pausen, die übersehen worden war, die von der klassischen Diagnostik.
Der Weg in die Klinik