Neuartiges Werkzeug ermöglicht gezielte, stabile Bearbeitung des Epigenoms in menschlichen Stammzellen

Neuartiges Werkzeug ermöglicht gezielte, stabile Bearbeitung des Epigenoms in menschlichen Stammzellen

Die neue Salk-Technologie fügt Methylgruppen an bestimmten Positionen der DNA hinzu und ermöglicht so eine gezielte Genkorrektur abnormaler epigenetischer Störungen

LA JOLLA – Wissenschaftler des Salk Institute haben eine neuartige Technologie entwickelt, um krankheitsverursachende Aberrationen in den chemischen Markierungen auf der DNA zu korrigieren, die die Art und Weise beeinflussen, wie Gene exprimiert werden. Diese Arten chemischer Veränderungen, die zusammenfassend als Epigenetik oder Epigenom bezeichnet werden, werden zunehmend als ebenso wichtig für Entwicklung und Krankheit angesehen wie die Genomsequenz selbst.

Die neue Salk-Technologie, die in der Zeitschrift beschrieben wird Forschung am 4. Mai 2017 wurde zur Modellierung von Mutationen im Epigenom im Zusammenhang mit Darmkrebs und zur Wiederherstellung ordnungsgemäßer Methylierungsmuster in Stammzellen von Patienten mit Angelman-Syndrom (AS) verwendet, einer seltenen neurodegenerativen Erkrankung, die häufig fälschlicherweise als Autismus diagnostiziert wird. Neben der Modellierung und Behandlung epigenetischer Störungen ist die Technologie auch für die Erforschung der menschlichen Entwicklung und der Biologie im Allgemeinen vielversprechend.

„Wir sind begeistert, wie viele neue Wege diese Arbeit für das Verständnis von Krankheitsprozessen und die Entwicklung wirksamer neuer Therapien eröffnet“, sagt Salk-Professor Juan Carlos Izpisúa Belmonte, leitender Autor des Artikels und Inhaber des Roger Guillemin Chair von Salk. „Es war ein riesiger Schritt, herauszufinden, wie man das Genom bearbeitet – diese Technologie zur Bearbeitung des Epigenoms ist ein weiterer Sprung nach vorne.“

Izpisua Belmontes Labor hat kürzlich eine Methode entwickelt um Gene in sich nicht teilenden Zellen zu verändern, die den Großteil des erwachsenen Gewebes ausmachen. Die neue Technik geht über Gene hinaus und zielt auf die häufigste Art epigenetischer Veränderungen ab, die sogenannte DNA-Methylierung, bei der sich chemische Markierungen, sogenannte Methylgruppen, an die DNA binden. Typischerweise markieren diese Tags das Gen als bereit zum Ein- oder Ausschalten. Immer mehr Wissenschaftler erfahren, dass die DNA-Methylierung an einer Reihe physiologischer und pathologischer Prozesse beteiligt ist, von der Embryonalentwicklung bis zum Auftreten bestimmter Krankheiten im späteren Leben, einschließlich Krebs. Forscher haben Möglichkeiten entdeckt, den Methylierungsstatus an kurzen DNA-Sequenzen zu ändern, aber bisher ist es niemandem gelungen, die Änderungen über einen weiten Bereich (eine Voraussetzung für die ordnungsgemäße Aktivierung oder Inaktivierung von Genen) dauerhaft zu machen.

Da 80 Prozent der DNA von Säugetieren methyliert sind, war das Labor von Izpisua Belmonte neugierig auf Regionen, die nicht methyliert sind. Paradoxerweise sind diese Regionen oft reich an potenziellen Methylierungsstellen und befinden sich in der Regel in der Nähe von Genregionen, in denen die Transkription genetischer Informationen beginnt. Doch irgendwie bleiben diese Regionen, die CpG-Inseln genannt werden, normalerweise unmethyliert.

Die Forscher stellten die Hypothese auf, dass eine Störung der CpG-Inseln eine neue Methylierung auslösen könnte. Um diese Hypothese zu testen, verwendete das Team zunächst molekulare Werkzeuge, um DNA ohne CpGs in die Insel in der Nähe einzufügen MLH1 Gen. MLH1 ist normalerweise unmethyliert, führt jedoch zu einem erhöhten Risiko für Darmkrebs, wenn es methyliert wird. Dem Team gelang es, die fehlerhafte Methylierung im Darmkrebs-Gen nachzuahmen, um das Prinzip zu beweisen und zu verstehen, wie abnormale Methylierung mit Krebserkrankungen zusammenhängt.

„Das Interessante an CpG-Inseln ist, dass sie der Methylierung widerstehen“, sagt Yuta Takahashi, wissenschaftlicher Mitarbeiter bei Salk und Erstautor der Studie. „Aber durch die Einführung von CpG-freier DNA können wir die Maschinerie außer Kraft setzen, die sie blockiert, und dann die DNA-Methylierung der gesamten Insel induzieren.“

Da das Team wusste, dass sie Methylierung dort induzieren könnten, wo sie nicht hingehört, versuchte das Team als Nächstes, Methyl-Tags dort anzubringen, wo sie zwar zum Genom gehören, aber fehlen, beispielsweise bei einigen Krankheiten. Das Angelman-Syndrom (AS) entsteht durch eine fehlerhafte DNA-Methylierung, die zu einem Verlust des UBE3A-Proteins in Neuronen führt. Dies führt bei Patienten zu kognitiven Defiziten. Durch den Einsatz ihrer Technologie korrigierte das Team die abnormale DNA-Methylierung und stellte die UBE3A-Proteinspiegel in neuronalen AS-Zellen in einer Schale wieder her.

Am spannendsten war den Forschern zufolge die Tatsache, dass alle von ihnen eingeführten Methylierungsmuster über die Zeit stabil waren, was bei anderen epigenetischen Technologien nicht der Fall war. Selbst die Entfernung der CpG-freien DNA hatte keinen Einfluss auf die neue Methylierung. Der Befund bietet eine Möglichkeit, epigenetische Markierungen auf CpG-Inseln neu zu schreiben und liefert Einblicke in den Mechanismus, durch den CpG-Inseln vor DNA-Methylierung geschützt werden.

„Es ist wunderbar, dass wir eine neue Technologie entwickelt haben, die eine robuste Bearbeitung des DNA-Methyloms auf CpG-Inseln in pluripotenten Stammzellen ermöglicht, was zur Entwicklung von Zellersatztherapeutika für epigenetische Störungen beitragen wird“, sagt Jun Wu, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter bei Salk und einer der Mitautoren der Arbeit. „Aber durch die Entdeckung der zugrunde liegenden Mechanismen der DNA-Methylierung hoffen wir, mit dieser Technologie noch mehr zu erreichen.“

Weitere Autoren waren Keiichiro Suzuki, Paloma Martinez Redondo, Mo Li, Hsin-Kai Liao, Min-Zu Wu, Reyna Hernández-Benítez, Tomoaki Hishida, Maxim Nikolaievich Shokhirev, Concepcion Rodriguez Esteban und Ignacio Sancho-Martinez vom Salk Institute.

Die Arbeit wurde gefördert durch die NIH – National Cancer Institute (NCI), hat das Chapman-Stiftung, und das Leona M. und Harry B. Helmsley Charitable Trust, UCAM und der G. Harold und Leila Y. Mathers Wohltätigkeitsstiftung.