Wellen von Regulation steuern ein wichtiges Entwicklungsgen

In einer neuen Studie in „Genes & Development“, zeigen Forscher*innen um Stefan Mundlos (MPIMG und Charité, Berlin) und Lila Allou (MRC Laboratory of Medical Sciences, London), wie verschiedene regulatorische Elemente im Genom die zeitlich korrekte Aktivität eines wichtigen Entwicklungsgens koordinieren. Ihre Ergebnisse könnten subtile Unterschiede bei Patient*innen mit angeborenen Fehlbildungen der Gliedmaßen erklären. Die diesen Ausprägungen zugrunde liegenden Krankheitsmechanismen sind oft unbekannt.

Alle Zellen enthalten die gleichen Gene, jedoch sind nicht alle Gene zu jedem Zeitpunkt aktiv. Die Genregulation ist ein grundlegender Prozess, der dafür sorgt, dass in jedem Zelltyp nur die jeweils notwendigen Gene exprimiert werden. Deshalb unterscheiden sich Neuronen beispielsweise in Struktur und Funktion von Muskelzellen. Eine präzise Feinabstimmung der Genregulation ist besonders während der Entwicklung entscheidend. Zeitlich abgestimmte Wellen der Transkriptionsaktivität sorgen dafür, dass sich ein Embryo zu einem gesunden Organismus mit korrekt positionierten und geformten Gliedmaßen, Organen und Geweben entwickelt. Dieser Prozess wird von spezialisierten Genen und regulatorischen Elementen im Genom gesteuert.

Viele solcher Genregulationselemente wurden bereits identifiziert. In den letzten zehn Jahren haben Wissenschaftler*innen ihre Aufmerksamkeit zunehmend auf die nicht-kodierenden Regionen des Genoms gerichtet – also auf genetische Sequenzen, die keine funktionellen Proteine produzieren. „Sogenannte Long Non-Coding RNAs sind dabei in den letzten Jahren in den Fokus der Forschung gerückt“, sagt Alessa Ringel, Erstautorin der Studie. „Sie kommen in großer Menge im Genom vor, werden jedoch oft nur in geringen Mengen exprimiert. Zudem werden sie vermehrt mit der Genregulation und mit verschiedenen menschlichen Erkrankungen in Verbindung gebracht.“ 

Das Forschungsteam hatte zuvor einen lncRNA-Locus identifiziert und ihn MAENLI genannt. Sie konnten nachweisen, dass dieser das Gen En1 aktiviert. EN1 reguliert die Gehirnentwicklung und die korrekte Ausformung der Gliedmaßen. EN1-Mutationen können zu Fehlbildungen der Gliedmaßen und des Gehirns führen, während MAENLI-Deletionen lediglich Anomalien der Gliedmaßen zur Folge haben. „Nach der Veröffentlichung der Arbeit hatten wir noch viele Fragen“, sagt Ringel. „Wir stellten fest, dass die MAENLI-Aktivität nach einem bestimmten Entwicklungsstadium abnimmt, die En1-Transkription jedoch auf hohem Niveau bleibt.“ Diese Beobachtung deutete darauf hin, dass möglicherweise weitere regulatorische Elemente beteiligt sind. Um ein klareres Verständnis davon zu gewinnen, wie En1 reguliert wird, nutzten die Forscher nun eine Reihe von Techniken – von CRISPR/Cas9-Geneditierung und epigenetischer Profilierung bis hin zu funktionellen Reporter-Assays.

„Eine wichtige Frage war, ob in unserem Modell durch das Deletieren des lncRNA-Lokus auch andere nahegelegene regulatorische DNA-Elemente entfernt wurden“, sagt Alessa Ringel. „Tatsächlich fanden wir zwei Wellen der En1-Transkription. Eine frühe Welle, die von MAENLI gesteuert wurde, und eine späte Welle, die von zwei neuen Enhancern gesteuert wurde, die wir in der Nähe von MAENLI identifiziert und LSEE1&2 genannt haben“, sagt Lila Allou, eine der korrespondierenden Autorinnen der Studie. „Besonders interessant war, dass diese genetischen Elemente durch die Steuerung der En1-Transkriptionswellen unterschiedliche Aspekte der Gliedmaßenentwicklung regulierten“, fügt sie hinzu.

Die Ergebnisse zeigen ferner, dass der Verlust entweder der frühen oder der späten En1-Regulation zu unterschiedlichen Fehlbildungen der Gliedmaßen bei Mäusen führt. Dies hat wichtige Implikationen für angeborene Fehlbildungen beim Menschen, die sich oft durch subtile Unterschiede äußern. Diese sind genetisch schwer zu lokalisieren, da sich diagnostische Ansätze häufig auf kodierende Sequenzen konzentrieren. „Unsere Arbeit deutet darauf hin, dass die leichte Variabilität der Phänotypen, die wir bei einigen isolierten Geburtsfehlern beobachten, wahrscheinlich durch Unterschiede im Zeitpunkt der Genaktivierung und nicht durch unterschiedliche defekte Gene erklärt werden kann“, sagt Lila Allou.