Den Grundstein für die Verteidigung legen

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Salk-Studie zeigt, dass Stress weitreichende epigenetische Veränderungen auslöst, die die Krankheitsresistenz unterstützen

LA JOLLA, CA – Lange Zeit wurde angenommen, dass die Methylierung, ein entscheidender Teil der normalen Entwicklung eines Organismus, eine statische Modifikation der DNA sei, die nicht durch Umweltbedingungen verändert werden könne. Neue Erkenntnisse von Forschern des Salk Institute for Biological Studies deuten jedoch darauf hin, dass die DNA von Organismen, die Stress ausgesetzt sind, Veränderungen in den DNA-Methylierungsmustern durchläuft, die die Art und Weise verändern, wie Gene reguliert werden.

Die Wissenschaftler fanden heraus, dass die Exposition gegenüber einem pathogenen Bakterium weitreichende Veränderungen im epigenetischen Code einer Pflanze verursachte, einer zusätzlichen Schicht biochemischer Anweisungen in der DNA, die bei der Steuerung der Genexpression hilft. Die epigenetischen Veränderungen standen im Zusammenhang mit der Aktivität von Genen, die für die Koordinierung der Reaktion einer Pflanze auf Stress verantwortlich sind, was darauf hindeutet, dass das Epigenom Organismen dabei helfen könnte, Resistenzen gegen Krankheitserreger und andere Umweltstressoren zu entwickeln.

Die Salk-Forscher infizierten zwei Pflanzenlinien mit einem Bakterium, um festzustellen, ob Methylierung, eine Art epigenetische chemische Modifikation der DNA, eine Rolle bei der Reaktion einer Pflanze auf Stress spielt.

Das Blatt links, das einer normalen Pflanze fünf Tage nach der Infektion entnommen wurde, zeigt Krankheitssysteme. Das Blatt rechts, das einer mutierten Pflanze entnommen wurde, die nicht zur Methylierung fähig ist, zeigt keine Anzeichen einer Krankheit, was darauf hindeutet, dass Methylierung bei Stressreaktionen eine Rolle spielt.

Bild: Mit freundlicher Genehmigung von Robert H. Dowen

„Das bedeutet, dass das Epigenom möglicherweise nicht nur ein statischer Satz von Anweisungen ist, sondern auch eine Möglichkeit, diese Anweisungen basierend auf Erfahrungen umzuschreiben“, sagt er Josef Ecker, ein Professor in Salk's Labor für Genomanalyse, der das Forschungsteam leitete. „Unsere Erkenntnisse, kombiniert mit den Erkenntnissen anderer Forscher, sprechen dafür, dass Lebenserfahrungen Spuren in unserer DNA hinterlassen.“

In der Studie, veröffentlicht am 7. August in der Proceedings of the National Academy of SciencesEcker und seine Kollegen untersuchten, wie die DNA-Methylierung das Immunsystem reguliert Arabidopsis thaliana Anlage. Methylierung ist ein biochemischer Prozess, der unter anderem die Expression von „springenden Genen“, sogenannten Transposons, unterdrückt, die im Laufe der Zeit in das Genom eingebaut wurden. Mithilfe genomweiter Sequenzierungstechnologien fanden die Forscher ein breites Spektrum an Methylierungsänderungen in der Reaktion der Pflanze auf eine bakterielle Infektion und führten verschiedene Analysen durch, um festzustellen, wie diese Methylierungsänderungen die Genexpression verändern.

„Aus früheren Studien wissen wir, dass die Expression einiger Gene mit Methylierungsänderungen als Reaktion auf Stress gekoppelt ist“, sagt Erstautor Robert Dowen, der an dem Projekt in Salk mit Ecker zusammengearbeitet hat und jetzt am Massachusetts General Hospital in Boston arbeitet. „Unsere Ergebnisse zeigen jedoch, dass die Belastung einer Pflanze durch Stress eine Vielzahl von Methylierungsänderungen auslöst, die der Pflanze helfen, sich gegen eindringende Krankheitserreger zu verteidigen.“

Pflanzen nutzen eine Reihe ausgeklügelter Abwehrmechanismen, um das Wachstum parasitärer Bakterien bei einer Infektion einzuschränken, indem sie verschiedene hormonelle Signale stimulieren, die Veränderungen in Genexpressionsnetzwerken auslösen. Die Salk-Ergebnisse und andere neuere Studien legen nahe, dass diese zellulären Abwehrreaktionen die DNA-Methylierungsmaschinerie aktivieren, um die Kontrolle über Genexpressionsnetzwerke zu erlangen. Epigenetische Veränderungen im genetischen Material, einschließlich Veränderungen in den DNA-Methylierungsmustern und Modifikationen an Histonen (Proteine, die eine Schlüsselrolle bei der Genregulation spielen), können die Expression eines Gens verändern, ohne seine DNA-Sequenz zu verändern. Darüber hinaus sind Moleküle, die als Small Interfering RNAs (siRNAs) bezeichnet werden, eng mit der DNA-Methylierung verbunden, insbesondere an den springenden Genen, wo diese siRNAs den Methylierungsprozess steuern. Überraschenderweise fanden die Forscher heraus, dass sich die Konzentrationen dieser siRNAs während der Infektion auch an bestimmten Transposons ändern und mit der Aktivierung dieser mobilen DNA-Fragmente einhergehen. Diese Ergebnisse veranschaulichen die dynamische Natur des Epigenoms als Reaktion auf Stress.

Die Ergebnisse von Salk könnten weitreichende Auswirkungen auf die Landwirtschaft haben, einschließlich der Manipulation der DNA-Methylierungsmuster von Pflanzen, um pathogenresistente Pflanzen zu erzeugen und die Pestizidexposition zu minimieren. Diese Anwendungstechnologien sind von großem Interesse, da jedes Jahr mehr als 30 bis 40 Prozent der jährlichen Ernten durch Krankheitserreger verloren gehen, was Kosten in Höhe von etwa 500 Milliarden US-Dollar verursacht.

Eine aktuelle Studie veröffentlicht in Pflanzenphysiologie legt nahe, dass die Erinnerung an Umweltbedingungen möglicherweise von Generation zu Generation weitergegeben wird, da die Abwehrkräfte von Pflanzen in den Nachkommen von Pflanzen vorbereitet werden, deren Eltern bereits Krankheitserregern ausgesetzt waren. „Obwohl dieses Phänomen kaum verstanden wird, ist es von großem Interesse und wird auf diesem Gebiet intensiv untersucht“, sagt Dowen. „Wir glauben, dass unsere Ergebnisse einen Rahmen bieten könnten, um direkt zu testen, ob die von uns beobachteten Methylierungsänderungen an die Nachkommen weitergegeben werden oder ob ein ähnlicher Mechanismus möglicherweise in menschlichen Zellen abläuft.“

Weitere Forscher an der Studie waren Mattia Pelizzola, Robert J. Schmitz, Ryan Lister und Joseph R. Nery vom Salk Institute; und Jill M. Dowen und Jack E. Dixon von der University of California in San Diego.

Die Arbeit wurde unterstützt durch die National Institutes of Health (AI060662), die Catharina-Stiftung, der Kalifornisches Institut für Regenerative Medizin, der Mary K. Chapman Stiftung, der Howard Hughes Medical Institute und den Gordon und Betty Moore Foundation.

Über das Salk Institute for Biological Studies:
Das Salk Institute for Biological Studies ist eine der weltweit herausragenden Grundlagenforschungseinrichtungen, in der international renommierte Dozenten in einem einzigartigen, kollaborativen und kreativen Umfeld grundlegende Fragen der Biowissenschaften untersuchen. Salk-Wissenschaftler konzentrieren sich sowohl auf Entdeckungen als auch auf die Betreuung zukünftiger Forschergenerationen und leisten bahnbrechende Beiträge zu unserem Verständnis von Krebs, Alterung, Alzheimer, Diabetes und Infektionskrankheiten, indem sie Neurowissenschaften, Genetik, Zell- und Pflanzenbiologie und verwandte Disziplinen studieren.

Die Leistungen der Fakultät wurden mit zahlreichen Ehrungen gewürdigt, darunter Nobelpreise und Mitgliedschaften in der National Academy of Sciences. Das 1960 vom Polioimpfpionier Jonas Salk, MD, gegründete Institut ist eine unabhängige gemeinnützige Organisation und ein architektonisches Wahrzeichen.