Jede unserer Zellen enthält die gleiche Erbinformation, trotzdem aber haben alle unterschiedliche Formen und Aufgaben. Geregelt wird dies über die Genaktivität. Doch wie diese Regulation genau funktioniert, ist nur in Teilen aufgeklärt. Jetzt haben Forscher einen Mechanismus entdeckt, mit dem gleich ganze Netzwerke von Genen kontrolliert werden. Ein kurzes DNA-Element entpuppte sich als der entscheidende Schalter. Ihre Erkenntnisse tragen zu einem besseren Verständnis zahlreicher physiologischer Prozesse bei.
Nahezu alle Zellen eines sich entwickelnden Lebewesens verfügen über die gleichen Gene, festgehalten als Erbinformation in der DNA. Doch nicht alle Gendaten werden gleichzeitig abgerufen – so sind beispielsweise in einer Leberzelle andere Gene aktiv als in einer Nervenzelle. Die Genaktivität hängt vom Ort und von der Funktion der jeweiligen Zelle ab und unterliegt einer strengen Regulation. Trotz der großen Anzahl verschiedener Gene sind für deren Steuerung nur wenige verschiedene Prozesse verantwortlich. Diese Regulierungsmechanismen entwickelten sich bereits früh in der Evolution und existieren in sehr ähnlicher Form sowohl bei einfachsten Geschöpfen, wie den winzigen
Fadenwürmern, als auch bei komplexen Lebewesen wie dem Menschen.
Einer der wichtigsten Mechanismen der Genregulation ist der sogenannte BMP-Signaltransduktionsweg. Wird dieser durch das Andocken bestimmter Signalstoffe an die Zelloberfläche aktiviert, leitet er das Signal in das Zellinnere an die sogenannten Smad-Proteine weiter. Diese wandern in den Zellkern, wo sie die Aktivität bestimmter Gene koordiniert regulieren. Dieser Vorgang ist essentiell für eine Vielzahl von physiologischen Prozessen, angefangen bei der Entwicklung eines komplexen Organismus aus einer einfachen Eizelle heraus, bis hin zu Wundheilung, und kann bei Versagen zu schwerwiegenden Erkrankungen wie zystischer Fibrose oder Krebs führen.
DNA-Aktivierungscode entschlüsselt
Um herauszufinden, auf welche Weise der BMP-Signaltransduktionsweg spezifische Gene aktivieren kann, wählte das Forscherteam um Markus Affolter vom Biozentrum der Universität Basel die Fruchtfliege Drosophila melanogaster als Modell. Die Wissenschaftler identifizierten ein kurzes DNA-Element, an das die Smad-Proteine binden, um ein bestimmtes Gen zu aktivieren. Mithilfe dieser entdeckten DNS-Sequenz waren sie erstmals in der Lage, erfolgreich weitere Gene zu ermitteln, die auf die gleiche Art und Weise angeschaltet werden.
Schalter auch in Wirbeltieren aktiv
Darüber hinaus konnten die Forscher zeigen, dass gezielte Veränderungen des entdeckten DNA-Elements seine Funktion abwandeln und sogar komplett umkehren können: ein Mechanismus, den die Natur wohl oft einschlägt, um Genaktivitäten im Laufe evolutionärer Vorgänge anzupassen. Weitere Experimente ergaben, dass das entdeckte Steuerelement auch in Wirbeltieren wie dem Zebrafisch funktionsfähig ist und somit seine Aufgabe über hunderte von Millionen Jahren bewahrt hat.
Mit ihren neuesten Erkenntnissen leisten die Basler Wissenschaftler einen wichtigen Beitrag zur Entschlüsselung des komplexen Regulationsnetzwerks, das in jeder Zelle genau festlegt, wann und welche Gene aktiv sind, und das bei Fehlfunktionen Erkrankungen und Missbildungen hervorruft. Darüber hinaus gewähren die Forschungsergebnisse Einblicke, wie die Evolution mit erstaunlich wenigen und kaum veränderlichen Mitteln die Artenvielfalt unserer Erde hervorgebracht hat. Die Forschungsresultate sind in der Fachzeitschrift „Nature Structural and Molecular Biology“ erschienen.
(Universität Basel, 28.12.2009 – NPO)
