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Berliner Forscher beschreiben, wie Verdopplungen im Erbgut die dreidimensionale Struktur des
Genoms beeinflussen
Berlin (idw) - Verdopplungen unterschiedlich großer Abschnitte der DNA gehören zu den häufigsten
Veränderungen im Erbgut, doch ihre Auswirkungen auf den Organismus sind für Genetiker bislang häufig
überraschend und schwer zu verstehen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für
molekulare Genetik und der Charité - Universitätsmedizin Berlin haben jetzt gezeigt, dass solche Duplikationen
je nach ihrer Lage im Genom zur Ausbildung neuer funktioneller Einheiten führen können, den sogenannten
„topologically associated domains“. In der Fachzeitschrift Nature beschreiben die Forscher, wie durch Verdopplung
unterschiedlich langer DNA-Abschnitte neue TADs entstehen und die verdoppelten Gene dabei neue Funktionen erhalten
können. Dieser Mechanismus stellt einen Weg für die Entstehung neuer Gene im Laufe der Evolution dar
und hat weitreichende Folgen für die Interpretation genetischer Veränderungen beim Menschen.
Topologically associated domains – abgekürzt TAD – sind räumlich getrennte Regionen im Erbgut von Menschen
und anderen Säugetieren. Dabei handelt es sich um DNA-Abschnitte, die im Durchschnitt eine Million Basenpaare
lang sind und ein oder mehrere Gene und deren Steuerungselemente (enhancer) enthalten. Diese kontrollieren, wann
und in welchen Zellen ein Gen ein- oder ausgeschaltet wird. Die TADs sind durch Grenzelemente räumlich voneinander
getrennt, so dass die Genaktivität in benachbarten TADs voneinander unabhängig ist.
Die Wissenschaftler der Forschungsgruppe Entwicklung & Krankheit am Max-Planck-Institut für molekulare
Genetik haben nun eine bislang unbekannte Funktion der TADs entdeckt, als sie Duplikationen unterschiedlicher Größe
im Bereich des SOX9-Gens untersuchten. Dieses Gen ist für die Bildung eines Transkriptionsfaktors verantwortlich,
der wichtige Funktionen bei der Entwicklung des Skeletts und der Ausbildung des männlichen Geschlechts hat.
Durch eine Analyse der dreidimensionalen Struktur des Genoms konnten die Forscher zeigen, dass sich in der SOX9-Region
zwei große TADs befinden. Eine enthält das SOX9-Gen und dessen Steuerungselemente, die andere zwei Gene
für die Kaliumkanäle KCNJ2 und KCNJ16 und deren Steuerungselemente.
Duplikationen im Bereich des SOX9-Gens können zu völlig unterschiedlichen Krankheitsbildern führen.
Um herauszufinden, warum das so ist, haben die Forscher drei Duplikationen untersucht, die alle die Steuerungselemente
des SOX9-Gens und zusätzlich unterschiedlich lange weitere Abschnitte der DNA umfassen.
Die erste der untersuchten Duplikationen führt beim Menschen zu einer Umkehrung des Geschlechts von weiblich
zu männlich. Dabei sind die betroffenen Personen äußerlich Männer, obwohl sie zwei X-Chromosomen
haben. Die Wissenschaftler konnten nachweisen, dass diese Duplikation nur die DNA und Steuerungselemente betrifft,
die innerhalb der SOX9-TAD liegen. Größere Duplikationen, die sich weiter in Richtung der benachbarten
Gene KCNJ2 und KCNJ16 erstrecken und damit auch Teile der benachbarten TAD beinhalten, haben überraschenderweise
dagegen keinerlei klinische Auswirkungen auf die Entwicklung des Geschlechts. Noch größere Duplikationen,
die neben der nicht-kodierenden DNA aus der SOX9-Region auch das benachbarte KCNJ2-Gen umfassen, führen dagegen
zum sogenannten Cooks-Syndrom – einer angeborenen Fehlbildung der Hände, die mit fehlenden Fingernägeln
und verkürzten Fingern einhergeht.
„Je nach Lage einer Duplikation müssen wir also zwischen Intra-TAD- und Inter-TAD-Duplikationen unterscheiden“,
erklärt Stefan Mundlos, Leiter der Forschungsgruppe, in der diese Arbeiten durchgeführt worden sind.
„Bei der Umkehrung des Geschlechts werden Steuerungselemente innerhalb einer TAD verdoppelt, dabei bleibt aber
der Effekt auf diese TAD beschränkt. Dadurch wird ausschließlich das Gen in der TAD fehlgesteuert und
so entweder zu stark oder zu wenig aktiviert. Im Fall des SOX9-Gens kommt es zu einer erhöhten Genaktivität
und somit zu einer Ausbildung des männlichen Geschlechts, auch wenn die betroffenen Patienten genetisch weiblich
sind.“
Da die TADs funktional voneinander abgegrenzt sind, beschränken sich die Folgen einer Intra-TAD-Duplikation
auf die betroffene TAD und haben keine Auswirkungen auf die benachbarten TADs. Bei den Inter-TAD-Duplikationen
hingegen werden nicht nur die Steuerungselemente der SOX9-Region, sondern auch die Grenze zwischen zwei TADs verdoppelt.
Durch diese verdoppelte Grenze entsteht eine neue TAD (Neo-TAD), die den duplizierten Bereich des Genoms in sich
einschließt und von seiner Umgebung abschirmt.
„Die Auswirkungen einer Neo-TAD hängen davon ab, welche Elemente des Genoms sie enthält“, so Mundlos.
„Wenn in der Neo-TAD nur Steuerungselemente, aber kein Gen vorhanden sind, hat dies für den Organismus keine
weiteren Folgen. Die Steuerungselemente werden durch die Grenzen der TAD von den benachbarten Genen abgeschirmt
und können sie nicht weiter beeinflussen. Wenn bei einer Duplikation allerdings zu den Steuerungselementen
in der Neo-TAD auch ein Gen aus einer benachbarten TAD hinzukommt, wird dieses auf eine vom Organismus nicht vorgesehene
Weise reguliert und kann Erkrankungen oder Fehlbildungen auslösen.“
Genau dies ist der Fall bei der dritten von den Forschern untersuchten Duplikation, die beim Menschen das Cooks-Syndrom
auslöst. Die neu entstandene TAD enthält nicht nur die Steuerungselemente des SOX9-Gens, sondern auch
eine Kopie des KCNJ2-Gens. Dieses wird in der Neo-TAD durch die Steuerungselemente des SOX9-Gens reguliert, wodurch
es bei der Entwicklung des Organismus zum falschen Zeitpunkt und in den falschen Geweben aktiv wird und dadurch
die beschriebenen Fehlbildungen verursacht.
Durch die Einbeziehung der TAD-Struktur in die Interpretation von genetischen Veränderungen können Wissenschaftler
wesentlich genauere Aussagen über die Auswirkungen von Mutationen machen als bisher. Dies betrifft zum Beispiel
Duplikationen, die Erbkrankheiten verursachen, aber auch Veränderungen in Krebszellen, in denen häufig
Duplikationen gefunden werden.
Duplikationen gehören zu den treibenden Kräften der Evolution. Die Verdopplung eines Gens ermöglicht
es, dass die Kopie neue bzw. andere Eigenschaften entwickelt als das ursprüngliche Gen, welches durch diesen
Prozess nicht beeinträchtigt wird. So könnten Duplikationen durch die neue Kombination von Steuerungselementen
und Genen in Neo-TADs einen evolutionären Mechanismus zur Erlangung neuer Genfunktionen darstellen.
Originalpublikation:
Martin Franke*, Daniel M. Ibrahim*, Guillaume Andrey, Wibke Schwarzer,
Verena Heinrich, Robert Schöpflin, Katerina Kraft, Rieke Kempfer, Ivana Jerkovic, Wing-Lee Chan, Malte Spielmann,
Bernd Timmermann, Lars Wittler, Ingo Kurth, Paola Cambiaso, Orsetta Zuffardi, Gunnar Houge, Lindsay Lambie, Francesco
Brancati, Ana Pombo, Martin Vingron, Francois Spitz & Stefan Mundlos
* equal contribution
Formation of new chromatin domains determines pathogenicity of genomic duplications
Nature, October 05, 2016, doi: 10.1038/nature19800
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