Mehr als die Hälfte unseres Genoms besteht aus Tausenden von Überresten alter viraler DNA, die als transponierbare Elemente bekannt sind, und im gesamten Stammbaum des Lebens weit verbreitet sind. Einst als „dunkle Seite“ des Genoms abgetan, haben Forscher des Helmholtz Zentrums München und der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) nun ihre entscheidende Rolle in der frühen Embryonalentwicklung aufgedeckt.
Ausgestorben geglaubte virale Elemente werden in Säugetierembryonen wieder exprimiert
Transponierbare Elemente, Überreste alter viraler DNA, werden in den ersten Stunden und Tagen nach der Befruchtung reaktiviert. In dieser dynamischen Phase der frühen Entwicklung zeigen embryonale Zellen eine bemerkenswerte Plastizität, doch die molekularen Mechanismen und Faktoren, die diese Plastizität regulieren, sind noch unklar. Untersuchungen an Modellen wie Mäusen deuten darauf hin, dass transponierbare Elemente eine entscheidende Rolle bei der zellulären Plastizität spielen, aber es ist noch ungewiss, ob dies ein universelles Merkmal bei allen Säugetierarten ist. Die unterschiedlichen evolutionären Ursprünge dieser viralen Überreste werfen weitere Fragen zu ihrer Erhaltung in den Genomen von Säugetieren auf. Das Verständnis der Regulationsmechanismen, die die Aktivierung transponierbarer Elemente steuern, ist für die Weiterentwicklung der Reproduktionsmedizin und die Aufdeckung der grundlegenden Prinzipien der Genomregulation von entscheidender Bedeutung.
Ein Forscherteam unter der Leitung von Prof. Maria-Elena Torres-Padilla am Helmholtz-Zentrum München und der LMU machte sich daran, diese alten DNA-Sequenzen zu erforschen, indem es eine neuartige Methode zur Untersuchung ihrer Transkription entwickelte. Sie erstellten einen Atlas einzelner Embryonen, indem sie Embryonen verschiedener Säugetierarten verglichen, darunter Maus, Kuh, Schwein, Kaninchen und der nichtmenschliche Primat Rhesusaffe. Ihre Ergebnisse waren überraschend: Die Forscher entdeckten, dass sehr alte virale Elemente, von denen man bisher annahm, dass sie ausgestorben sind, in Säugetierembryonen wieder exprimiert werden. Sie fanden auch heraus, dass jede untersuchte Art unterschiedliche Typen dieser Elemente exprimiert.
Neue Wege für die Genmanipulation und die Erforschung der Zellplastizität
Diese Beobachtungen zeigen, dass die Aktivierung transponierbarer Elemente über die Arten hinweg konserviert ist, und die Identifizierung spezifischer Elemente bietet spannende Möglichkeiten, Tausende von Genen in Zellen gleichzeitig zu manipulieren. „Dieser Ansatz bietet eine neuartige Möglichkeit, das Zellschicksal zu beeinflussen, wie z. B. die Steuerung der Stammzelldifferenzierung, die in der Regel die gleichzeitige Manipulation von Hunderten von Genen erfordert“, sagt die Co-Erstautorin Dr. Marlies Oomen. „Unsere Arbeit unterstreicht, wie wichtig es ist, die regulatorischen Prinzipien hinter transponierbaren Elementen zu verstehen.“
Prof. Torres-Padilla erklärt weiter: „Unsere Forschung hat ergeben, dass die Aktivierung transponierbarer Elemente ein charakteristisches Merkmal früher Embryonen bei mehreren Säugetierarten ist. Diese Erkenntnis ist von Bedeutung, da sich diese Zellen im Frühstadium in alle Körperzelltypen differenzieren können. Indem wir verstehen, wie diese Zellen uralte virale Elemente regulieren, gewinnen wir entscheidende Einblicke in die Mechanismen der zellulären Plastizität. Diese Studie schafft die Voraussetzungen für die zukünftige Erforschung spezifischer regulatorischer Elemente, mit weitreichenden Auswirkungen auf Gesundheit, Krankheit und die Frage, wie sich die Manipulation dieser Elemente auf zelluläre Prozesse auswirken könnte.“
Neben der Entwicklung einer neuartigen Methodik, die Forschern, die mit einzelnen Zellen und Embryonen arbeiten, neue Wege eröffnet, hat diese Studie einen beispiellosen Datensatz hervorgebracht. Die frühe Embryonalentwicklung ist ein hochdynamischer Prozess, der für Wissenschaftler von großem Interesse ist. Die meisten Studien konzentrieren sich jedoch auf eine einzige Spezies, in der Regel die Maus oder den Menschen. Diese Studie verfolgte jedoch einen evolutionären Ansatz, indem sie mehrere Säugetierspezies verglich, wodurch die Identifizierung wichtiger regulatorischer Signalwege, die allen Säugetieren gemeinsam sind, ermöglicht wurde. Die aus dieser Forschung gewonnenen biologischen Erkenntnisse werden in Kombination mit dem umfangreichen Datensatz als wertvolle Ressource für Forscher in der Entwicklungs- und Reproduktionsbiologie dienen.
