Ein Schalter und ein Drehknopf
Studie beschreibt ein neuartiges Regulationsprinzip, das an der Deaktivierung eines X-Chromosoms während der Entwicklung beteiligt ist.
In den Zellen weiblicher Säugetiere wird eines der beiden X-Chromosomen deaktiviert, um eine gefährliche doppelte Expression von Genen zu verhindern. Dieser Mechanismus wird durch das Gen "Xist" gesteuert und ist unter anderem für die Fellfarbe bestimmter Katzen, Farbenblindheit oder Krankheiten beim Menschen verantwortlich. Das Labor von Edda Schulz hat nun in Zusammenarbeit mit der Gruppe von Martin Vingron neue Regulatoren von Xist identifiziert. Dabei entdeckten die Forschenden einen zweistufigen Prozess, der das Netzwerk von Genregulationselementen steuert, welche Xist während der Entwicklung aktivieren und regulieren.
Im Jahr 1948 beobachteten der Wissenschaftler William Barr und sein Doktorand ungewöhnliche Formen im Zellkern weiblicher Katzennervenzellen, die bei männlichen Tieren nicht vorhanden waren. Diese Strukturen wurden später als inaktive X-Chromosomen identifiziert und als „Barr-Körperchen” bezeichnet. Sie sind das Ergebnis eines Prozesses, der als X-Inaktivierung bezeichnet wird. Während der Entwicklung weiblicher Säugetiere wird in jeder Zelle ein X-Chromosom deaktiviert, um die doppelte Expression von Genen auszugleichen, die sonst schädlich wäre.
Diese Information bleibt in den adulten Zellen erhalten, während sich der Organismus entwickelt. Folglich ähneln weibliche Säugetiere eher einem Mosaik aus Zellen. Bei bestimmten Katzen führt dies beispielsweise zu ihren charakteristischen Farbmusterungen, je nachdem, welches X-Chromosom aktiv ist und für welche Farbe es kodiert.
Für die X-Inaktivierung müssen die Zellen die Anwesenheit von zwei X-Chromosomen erkennen und eines davon zufällig für die Deaktivierung auswählen. Diese Schritte werden konzeptionell oft als getrennt wahrgenommen. „Es ist allerdings klar geworden, dass diese Prozesse nicht unabhängig voneinander sind, sondern Teil eines regulatorischen Netzwerks, das beide Schritte zur Inaktivierung eines X-Chromosoms integriert“, erklärt Gruppenleiterin Edda Schulz. „Unsere Studie konnte eine große Lücke schließen, indem sie die an diesem Netzwerk beteiligten Regulatoren und ihre Interaktionen identifiziert hat.“
Viele Entwicklungsgene, wie beispielsweise Xist, werden sowohl durch Elemente in ihrer Nähe als auch durch Transkriptionsfaktoren reguliert, die oft an entfernten Stellen exprimiert werden. „Vor einigen Jahren haben wir die nahe gelegenen, sogenannten cis-regulatorischen Elemente kartiert. Jetzt wollten wir herausfinden, wie diese Elemente mit Transkriptionsfaktoren interagieren“, so Till Schwämmle, der Erstautor der Studie. Zu diesem Zweck entwickelte das Team einen verbesserten Screening-Ansatz auf Basis der Genschere CRISPR/Cas9. Mithilfe dieses Werkzeugs identifizierten sie neue regulatorische Faktoren und verknüpften deren Interaktionen mit anderen regulatorischen Elementen.
„Wir haben festgestellt, dass der Xist-Locus in zwei Schritten reguliert wird. Im ersten Schritt wird durch eine Gruppe von Transkriptionsfaktoren, die bevorzugt in weiblichen Zellen exprimiert werden, ein Ein/Aus-Schalter initiiert, der darüber entscheidet, welches Chromosom deaktiviert wird. Eine zweite Gruppe von Transkriptionsfaktoren wird später exprimiert und erhöht – ähnlich wie ein Drehregler – die Expressionsniveaus von Xist. Dies gewährleistet die effiziente Stilllegung des Chromosoms“, erklärt Till Schwämmle.
„Wir sind jetzt sehr an einem der Faktoren interessiert, die Till in seinem Screening entdeckt hat, nämlich ZIC3, das diesen Ein-/Aus-Schalter steuert“, sagt Edda Schulz. Da ZIC3 auf den X-Chromosomen kodiert ist, weist es in weiblichen Zellen höhere Konzentrationen auf und könnte ein potenzieller Treiber für die geschlechtsspezifische Expression von Xist in weiblichen Zellen sein. „Wir und andere Forscher*innen haben lange nach solchen aktivierenden, X-chromosomalen Elementen gesucht und werden nun ihre Rolle weiter untersuchen“.
