Epigenetische Veränderungen regulieren die Genexpression, aber was reguliert die Epigenetik?

November 21, 2025

Epigenetische Veränderungen regulieren die Genexpression, aber was reguliert die Epigenetik?

Forscher des Salk Institute entdecken eine neue Methode der epigenetischen Steuerung und zeigen erstmals, dass genetische Sequenzen neue DNA-Methylierungsmuster in Pflanzen steuern können – was neue Möglichkeiten zur präzisen Korrektur epigenetischer Defekte eröffnet und so die menschliche Gesundheit und die Landwirtschaft verbessert.

November 21, 2025

LA JOLLA – Alle Zellen eines Organismus besitzen die exakt gleiche genetische Sequenz. Was sich zwischen den Zelltypen unterscheidet, ist ihre Epigenetik– Sorgfältig platzierte chemische Markierungen, die beeinflussen, welche Gene in jeder Zelle exprimiert werden. Fehler oder Störungen in der epigenetischen Regulation können sowohl bei Pflanzen als auch bei Tieren zu schweren Entwicklungsstörungen führen. Dies wirft die Frage auf: Wenn epigenetische Veränderungen unsere Gene regulieren, was reguliert sie dann?

Wissenschaftler des Salk Institute haben nun mithilfe von Pflanzenzellen entdeckt, dass eine Art epigenetischer Markierung, die sogenannte DNA-Methylierung, durch genetische Mechanismen reguliert werden kann. Dieser neue Mechanismus der DNA-Methylierung in Pflanzen nutzt spezifische DNA-Sequenzen, um der Methylierungsmaschinerie den Andockpunkt zuzuweisen. Vor dieser Studie war lediglich bekannt, wie die DNA-Methylierung durch andere epigenetische Merkmale reguliert wird. Die Entdeckung, dass… genetisch Die Möglichkeit, dass Merkmale auch DNA-Methylierungsmuster steuern können, stellt einen bedeutenden Paradigmenwechsel dar.

Diese Erkenntnisse könnten zukünftige Strategien des epigenetischen Engineerings beeinflussen, die darauf abzielen, Methylierungsmuster zu erzeugen, die voraussichtlich die Zellfunktion reparieren oder verbessern, und bergen viele potenzielle Anwendungsmöglichkeiten in Medizin und Landwirtschaft.

„Bei Pflanzen und Tieren können fehlerhafte DNA-Methylierungsmuster Entwicklungsdefekte verursachen, und bei Säugetieren kann dies zu zahlreichen Krankheiten – einschließlich Krebs – führen“, sagt der Hauptautor. Julie Law, PhD, Biochemikerin und außerordentliche Professorin am Salk Institute. „Deshalb ist es für uns von großer Bedeutung zu verstehen, wie die DNA-Methylierung an die richtigen Stellen in den richtigen Geweben und Entwicklungsstadien gerichtet wird. Unsere Arbeit beantwortet eine lange bestehende Frage, wie während der Pflanzenentwicklung neue Methylierungsmuster entstehen. Dies ist der erste Schritt, um über die gezielte Veränderung von DNA-Methylierungsmustern zur Verbesserung der Zellfitness nachzudenken.“

Die Studie wurde in der veröffentlichten Naturzellbiologie Das Projekt wurde am 21. November 2025 gestartet und wurde sowohl durch Bundesforschungsstipendien der National Institutes of Health als auch durch private Spenden finanziert.

 

Was ist Epigenetik?

Zelluläre Anweisungen sind in einer Vier-Buchstaben-Sprache – A, T, C und G – verfasst, die sich zu langen DNA-Strängen zusammenfügen. Diese langen, ungeordneten DNA-Abschnitte werden dann um Proteine, sogenannte Histone, gewickelt und zu Chromatin verpackt. Dadurch werden die Stränge kondensiert und organisiert, was die Speicherung und den Zugriff erleichtert. Das Epigenom ist eine Schicht von Markierungen und Modifikationen. oben drauf All das. Diese Veränderungen bestimmen, welche Gene exprimiert werden und welche nicht, ohne den Basiscode selbst zu verändern, was Flexibilität in der zellulären Identität und im Verhalten ermöglicht.

Eine wichtige epigenetische Markierung ist die DNA-Methylierung, bei der eine Methylgruppe an bestimmte „C“-Basen im DNA-Code angehängt wird. Diese DNA-Methylierungsmarkierungen signalisieren der darunterliegenden DNA, ihre Aktivität zu unterdrücken – ein Prozess, der als „Silencing“ bezeichnet wird. Dieser Prozess ist nicht nur für die Regulation der Genexpression wichtig, sondern auch für die Unterdrückung der Expression spezieller genetischer Elemente, sogenannter Transposons. Werden Transposons exprimiert, können sie sich innerhalb des Genoms bewegen, was zu Genominstabilität und einer verringerten Fitness des Organismus führt.

Das Verständnis, wie, wann und warum spezifische DNA-Methylierungsmuster in den einzelnen Zelltypen entstehen, ist entscheidend für die Erklärung der biologischen Entwicklung und die Behandlung von Krankheiten, die mit epigenetischen Funktionsstörungen einhergehen.

„Wir haben viel darüber gelernt, wie eine epigenetische Markierung nach ihrer Etablierung erhalten bleiben kann“, erklärt Law. „Aber zelluläre Diversität entsteht nicht durch anhaltende Muster, sondern durch …“ neu Es gibt Muster, und wir wissen noch immer nicht viel darüber, was ein neues epigenetisches Muster erzeugt. Diese Arbeit schließt die Lücke zwischen dem Wissen um die Existenz epigenetischer Vielfalt und dem Verständnis dafür, was sie ausmacht. wie „Es wird erzeugt.“

 

Warum sollte man die Epigenetik bei Pflanzen erforschen?

Arabidopsis thaliana ist ein kleines blühendes Unkraut, das seit Jahrzehnten als Standard-Laborpflanze dient. Arabidopsis toleriert experimentelle Störungen epigenetischer Modifikationen besser als menschliche oder andere tierische Zellen und ist daher eine hervorragende Ressource zur Untersuchung grundlegender Fragen der Epigenetik.

In ArabidopsisDie DNA-Methylierungsmuster werden durch eine Familie von vier Proteinen, den sogenannten CLASSYs, reguliert. Jedes CLASSY ist dafür verantwortlich, die DNA-Methylierungsmaschinerie an verschiedene Stellen im Genom zu rekrutieren. Doch vor dieser Studie des Salk Institute war den Wissenschaftlern unklar, wie genau dies funktioniert. wie CLASSY3 vermittelte dieses Targeting. Warum wählte es gerade diese Gruppe genomischer Ziele aus?

 

Wie entstehen epigenetische Veränderungen?

Bis dahin hatten Wissenschaftler DNA-Methylierungsereignisse nur dann beobachtet, wenn diese von anderen epigenetischen Mechanismen beeinflusst wurden. Wenn beispielsweise ein DNA-Abschnitt bereits methyliert war, um die Genexpression in dieser Region zu unterdrücken, verstanden sie, wie diese Methylierung nach der Zellteilung an derselben Stelle wiederhergestellt werden konnte.

Diese sich selbst verstärkenden Mechanismen sind besonders wichtig für die Aufrechterhaltung epigenetischer Muster während des Lebens eines Organismus. Teilt sich beispielsweise eine alternde Hautzelle in zwei neue Hautzellen, möchte man nicht, dass ein völlig neues epigenetisches Muster entsteht und diese Hautzellen plötzlich in Krebszellen umprogrammiert.

Aber was ist mit Fällen, in denen Sie do Wie kann sich das epigenetische Muster verändern – beispielsweise während der Entwicklung oder als Reaktion auf Umweltstress? Wie modifiziert eine Pflanzenzelle ihre Epigenetik, um zu wachsen, zu reagieren und sich zu erholen?

„Wie hängen diese Muster zusammen?“ Anfang„Wir wollten herausfinden, welche epigenetischen Prozesse die Entstehung neuer DNA-Methylierungsmuster während der Pflanzenentwicklung, -regeneration und -vermehrung regulieren“, fragt Erstautor Dr. Guanghui Xu, Postdoktorand in Laws Labor.

 

Ein Paradigmenwechsel in der pflanzlichen DNA-Methylierung

Um zu untersuchen, wie diese DNA-Methylierungsmuster entstehen, betrachteten die Forscher Arabidopsis Fortpflanzungsgewebe. Mithilfe eines genetischen Vorwärts-Screenings entdeckten sie einen neuen Mechanismus der DNA-Methylierung, der auf DNA-Sequenzen und nicht auf epigenetischen Merkmalen beruht.

Mehrere Proteine, die das Team „RIMs“ nannte, interagieren mit CLASSY3, um die DNA-Methylierung an spezifischen genomischen Zielstellen in pflanzlichen Fortpflanzungsgeweben zu etablieren. Diese RIMs sind eine Untergruppe der großen Proteinklasse der Transkriptionsfaktoren des Reproduktionsmeristems (REM). Diese Entdeckung war überraschend, da sie die Zielsteuerung von CLASSY3 mit spezifischen DNA-Sequenzen verknüpfte. Als die Wissenschaftler diese DNA-Abschnitte störten, brach der gesamte Methylierungsprozess zusammen.

Die Studie identifiziert unverzichtbare DNA-Abschnitte, an denen RIMs andocken und anschließend die DNA-Methylierungsmaschinerie aktivieren können, um benachbarte DNA-Sequenzen zu beeinflussen. Die Forscher konnten zeigen, dass in reproduktiven Geweben, die unterschiedliche Kombinationen von RIMs exprimieren, einzigartige Methylierungsmuster entstehen. Dies ist das erste Mal, dass Wissenschaftler eine genetische Sequenz identifiziert haben, die den epigenetischen Prozess der DNA-Methylierung in Pflanzen steuern kann. Da es viele REM-Gene in Pflanzen gibt, … ArabidopsisDas Team geht davon aus, dass weitere Familienmitglieder mit der DNA-Methylierung in Verbindung gebracht werden, wodurch sich ihre Rolle bei der Kontrolle der epigenetischen Regulation erweitert.

Ein anderer Naturzellbiologie Eine von Steven Jacobsen, PhD, an der UC Los Angeles geleitete Studie nutzte die Reverse Genetik, um mehrere REM-Gene zu identifizieren, die an der Regulierung der DNA-Methylierung durch spezifische DNA-Sequenzen beteiligt sind – was die Rolle genetischer Informationen bei der Steuerung epigenetischer Prozesse weiter untermauert.

„Diese Erkenntnis stellt einen Paradigmenwechsel im Verständnis der Methylierungsregulation in Pflanzen dar“, sagt Law. „Bisherige Arbeiten gingen davon aus, dass bereits vorhandene epigenetische Modifikationen den Ausgangspunkt für die Methylierung bilden, was jedoch nicht erklärte, wie neue Methylierungsmuster entstehen können. Nun wissen wir, dass die DNA selbst ebenfalls neue Methylierungsmuster induzieren kann.“

Mit diesen neuen Erkenntnissen, dass genetische Merkmale epigenetische Veränderungen steuern können, stehen Forschern zahlreiche weitere Fragen bevor. Dazu gehört die Frage, wie weit verbreitet dieser neue Mechanismus während der Pflanzenentwicklung ist und wie er genutzt werden kann, um neuartige DNA-Methylierungsmuster zu erzeugen. Die Möglichkeit, DNA-Sequenzen zur gezielten Methylierung einzusetzen, hat weitreichende Konsequenzen für die Landwirtschaft und die menschliche Gesundheit, da epigenetische Defekte so mit hoher Präzision korrigiert werden könnten.

Zu den weiteren Autoren gehören Yuhan Chen, Laura M. Martins, En Li, Fuxi Wang, Tulio Magana und Junlin Ruan vom Salk Institute.

Die Arbeit wurde unterstützt von den National Institutes of Health (GM112966, P30 CA01495, P30 AG068635), dem Paul F. Glenn Center for Biology of Aging Research des Salk Institute, dem Salk Pioneer Postdoktorandenstipendium, der Chapman Foundation und dem Helmsley Charitable Trust.

DOI: 10.1038/s41556-025-01808-5