Salk-Forscher zeichnen die Landschaft der genetischen und epigenetischen Regulation in Pflanzen auf

Salk-Forscher zeichnen die Landschaft der genetischen und epigenetischen Regulation in Pflanzen auf

Neue Erkenntnisse geben Aufschluss darüber, wie Pflanzen ihre Eigenschaften erhalten

LA JOLLA – Eine von Wissenschaftlern des Salk Institute entwickelte neue Technik zur schnellen Kartierung von DNA-Regionen, auf die regulatorische Proteine ​​abzielen, könnte Wissenschaftlern unter anderem Einblicke in die Faktoren geben, die manche Pflanzen dürretolerant oder krankheitsresistent machen.

Die Aufdeckung dieser Landschaft von Proteinbindungszonen auf der DNA, die zusammen als „Cistrome“ bezeichnet wird, zeigt, wie Pflanzen steuern, wo und wann Gene exprimiert werden. Frühere Methoden zur Kartierung des Cistroms in Pflanzenzellen waren schwierig und langsam, aber der neue Ansatz, der in der Ausgabe vom 19. Mai 2016 ausführlich beschrieben wird Zelle, überwindet diese Hürden und bietet einen umfassenden Überblick über diesen kritischen Aspekt der genetischen Regulation.

„Dies ist einer der ersten Versuche, alle regulatorischen Elemente in einem Pflanzengenom global zu charakterisieren“, sagt der leitende Autor Josef Ecker, Professor und Direktor des Genomic Analysis Laboratory von Salk und Inhaber des Lehrstuhls für Genetik des Salk International Council. „Der Cistrom war eine fehlende Information, um zu verstehen, wie Pflanzen funktionieren.“

Viele Informationen in pflanzlichen und tierischen Zellen sind in „kodierenden“ DNA-Abschnitten enthalten, die die Anweisungen zur Herstellung von Proteinen, den physischen Arbeitspferden der Zellen, enthalten. Aber Forscher erkennen zunehmend, dass andere Abschnitte des Genoms Elemente enthalten, die steuern, wann und wie Zellen diese Proteine ​​herstellen. Unter diesen „nicht-kodierenden“ DNA-Stücken befinden sich Stellen, an denen Proteine, sogenannte Transkriptionsfaktoren, binden, um die Aktivierung benachbarter kodierender Gene zu steuern.

„Viele Studien an Menschen und Tiermodellen zeigen, dass nicht-kodierende Veränderungen wirklich wichtig für das Verständnis von Erbkrankheiten und Krankheiten wie Krebs sind“, sagt Shao-shan Carol Huang, wissenschaftliche Mitarbeiterin bei Salk und Co-Erstautorin der Arbeit. „Es ist ebenso wichtig herauszufinden, was diese nicht-kodierenden Regionen in Pflanzen tun.“

In der Vergangenheit konnten Wissenschaftler feststellen, wo sich jeweils nur ein oder zwei Transkriptionsfaktoren an Pflanzengenome anhefteten, doch die Experimente gingen nur langsam voran. Ecker und seine Kollegen wollten vollständig kartieren, wo die Hunderte – oder sogar Tausende – bekannter Transkriptionsfaktoren binden, also brauchten sie eine schnellere Möglichkeit, die Stellen zu kartieren.

Um diese Cistrom-Kartierung zu erreichen, entwickelten die Forscher ein System, mit dem sie einen markierten Transkriptionsfaktor zu einer DNA-Bibliothek hinzufügen, ihn binden lassen und dann alle DNA-Protein-Paare isolieren konnten. Die als DNA-Affinitätsreinigungssequenzierung (DAP-seq) bezeichnete Methode erweitert die Möglichkeiten, die Wissenschaftler über Transkriptionsfaktoren und ihre Bindungsstellen gewinnen können, erheblich.

„Unser System ist kostengünstig und skalierbar“, sagt Ronan O'Malley, wissenschaftlicher Mitarbeiter im Ecker-Labor und Co-Erstautor der Arbeit. „Es ermöglicht uns, die gesamte Sammlung von Transkriptionsbindungsstellen zu erfassen, sodass wir über ein vollständiges Codebuch verfügen.“ Darüber hinaus sei keine hochentwickelte oder spezielle Laborausrüstung erforderlich, auf die die meisten Anlagenlabore nicht bereits Zugriff hätten, sagte er.

Um den Nutzen von DAP-seq zu testen, kartierten Ecker, Huang, O'Malley und ihre Kollegen, wo 529 Transkriptionsfaktoren an das Genom von gebunden sind Arabidopsis thaliana, die von Wissenschaftlern am meisten untersuchte Pflanze. Sie identifizierten 2.7 Millionen Bindungsstellen. Anschließend wiederholten sie die Experimente mit DNA, die Cytosin-Methylierung enthielt oder nicht – ein Prozess, bei dem die Oberfläche des Genoms mit chemischen Methylmarkierungen markiert wird, um Gene weiter zu hemmen oder zu aktivieren. Die Bindungsmuster von etwa drei Viertel der getesteten Transkriptionsfaktoren veränderten sich.

„Dadurch konnten wir Bindungsstellen freilegen, die wir möglicherweise übersehen würden, wenn wir die Methylierung nicht entfernen würden. Mit diesem Ansatz können wir Bindungsstellen erkennen, die möglicherweise nur in einer Untergruppe von Zellen oder Geweben aktiv sind“, sagt O'Malley. Die neuen Ergebnisse zeigen nicht nur, wie regulatorische Proteine ​​die Genexpression verändern, sondern auch, welche Rolle die epigenomischen Methylierungsmarkierungen bei dieser Regulierung spielen könnten.

In einem separaten Artikel, veröffentlicht im Mai 2016 in Nature Plants, Ecker und zusammenarbeitende Gruppen an der Duke University und der University of Western Australia zeigten, dass verschiedene Arten von Zellen in der Arabidopsis Wurzeln weisen unterschiedliche Methylierungsmuster auf. Mithilfe von DAP-seq können sie nun untersuchen, wie sich diese Muster in Wurzelzellen auf die Bindung von Transkriptionsfaktoren auswirken. Darüber hinaus möchten sie untersuchen, wie verschiedene Transkriptionsfaktoren miteinander interagieren, und versuchen, die Methode auf andere Pflanzenarten und menschliche Zellen anzuwenden.

„Das Schöne daran ist, dass es in jedem Werk durchgeführt werden kann, von dem viele nicht über die entsprechenden Werkzeuge verfügen Arabidopsis„, sagt Ecker, der auch am Howard Hughes Medical Institute und Forscher der Gordon and Betty Moore Foundation tätig ist. „Und dies kann uns einen Einblick geben, wie genetische oder epigenetische Variationen in regulatorischen Sequenzen ihre Merkmale beeinflussen.“

Weitere Forscher an der Studie waren Liang Song, Mathew G. Lewsey, Anna Bartlett und Joseph R. Nery, alle vom Salk Institute; und Mary Galli und Andrea Gallavotti von Rutgers University.

Die Arbeit und die beteiligten Forscher wurden durch Zuschüsse des gefördert National Science Foundation, der Gordon und Betty Moore Foundation und den Howard Hughes Medical Institute.