Neues DNA-„Codebuch“ zeigt: Methylierung verändert die Regeln der Gensteuerung

Die neu ermittelten Motive traten besonders häufig an Bindungsstellen auf, die bereits in lebenden Zellen beobachtet worden waren. Dadurch konnten die Forschenden Zehntausende zuvor nicht erkannte, konservierte und direkt von Transkriptionsfaktoren besetzte Stellen im Genom identifizieren. Viele davon liegen in Promotorregionen, also in Bereichen, die die Aktivität benachbarter Gene regulieren. Die Daten verbesserten zudem die Möglichkeit, Transkriptionsfaktor-Bindung mit Mustern der Genexpression zu verknüpfen.

Insgesamt umfasst die Übersicht nun Informationen zu etwa 1.421 von schätzungsweise 1.600 menschlichen Transkriptionsfaktoren. Das Codebook erklärt die Genregulation damit noch nicht vollständig. Es schließt aber eine wichtige Wissenslücke: Welche Proteine können welche DNA-Sequenzen erkennen?

Was meSMiLE-seq zusätzlich zeigt

Eine herkömmliche Motivkarte kann vor allem beantworten, welche DNA-Sequenz ein Transkriptionsfaktor bevorzugt. Sie zeigt jedoch nicht unbedingt, ob sich diese Präferenz verändert, wenn ein DNA-Baustein chemisch modifiziert ist.

Hier setzt meSMiLE-seq an. Die Abkürzung steht für „methylation-sensitive selective microfluidics-based ligand enrichment followed by sequencing“. Das mikrofluidische Verfahren vergleicht die Bindung eines Transkriptionsfaktors an passende methylierte und nicht methylierte DNA-Abschnitte. So lassen sich sowohl die Sequenzpräferenz als auch die Empfindlichkeit gegenüber Methylierung modellieren.

In 23 Experimenten testete das Team 114 menschliche Transkriptionsfaktoren und erstellte für 48 davon Bindungsmodelle. Bei 13 Faktoren zeigte sich eine Abneigung gegen methylierte DNA. Weitere 11 Faktoren bevorzugten methylierte DNA oder erkannten unter Einbeziehung der Modifikation eine alternative Bindungsstelle. Bei den übrigen Faktoren blieb die DNA-Bindung unter den Bedingungen des Tests unverändert.

In einzelnen Zusammenfassungen wird die Gruppe mit verstärkter oder veränderter Bindung mit 14 statt 11 Faktoren angegeben. Der Datensatz selbst nennt jedoch 11. Die vorsichtigere Einordnung lautet daher: In den vorliegenden Daten verringerte Methylierung bei 13 Faktoren die Bindung, während 11 Faktoren eine verstärkte oder veränderte Präferenz zeigten.

Methylierung ist kein universeller Ausschalter

Die Ergebnisse widersprechen einer zu einfachen Vorstellung von DNA-Methylierung als automatisch wirkendem Repressionssignal. Methylierung kann die Erkennung eines Motivs stören. Sie kann aber auch einen chemisch bevorzugten Kontext erzeugen oder dazu führen, dass ein Transkriptionsfaktor eine andere Sequenz bindet. Welche Wirkung eintritt, hängt vom jeweiligen Faktor und von der getesteten DNA-Sequenz ab.

Das hilft zu erklären, warum Zellen mit demselben Genom unterschiedliche Programme aufrechterhalten können. Verschiedene Zelltypen produzieren unterschiedliche Transkriptionsfaktoren und weisen die DNA-Methylierung an unterschiedlichen Stellen auf. Dadurch kann dieselbe DNA-Sequenz in einem Zelltyp ungenutzt bleiben, in einem anderen von einem anderen Faktor erkannt werden oder bei verändertem Methylierungszustand mit anderer Stärke gebunden werden.

Die beiden Studien verbinden damit zwei Ebenen der Genregulation: den Sequenzcode aus den Buchstaben der DNA und den epigenetischen Zustand, der beeinflusst, wie dieser Code gelesen wird.

Bedeutung für die Erforschung von Krankheiten

Der erweiterte Katalog kann die Analyse nicht kodierender genetischer Varianten verbessern. Solche Veränderungen liegen außerhalb der Bereiche, die direkt für Proteine codieren, können aber trotzdem die Genregulation beeinflussen. Eine Variante könnte beispielsweise ein bestehendes Transkriptionsfaktor-Motiv zerstören oder ein neues Motiv erzeugen. Die Methylierung könnte anschließend mitbestimmen, ob diese veränderte Stelle in einem bestimmten Zelltyp tatsächlich erkannt wird.

Damit könnte die Ressource bei der Untersuchung von Regulationsveränderungen in Entwicklung, Alterung und Krebs hilfreich sein. Zunächst ist sie jedoch vor allem eine wissenschaftliche Referenz und kein klinischer Diagnosetest. Die Bindungsmodelle liefern eine bessere Grundlage für weitere Experimente und für die Interpretation genetischer Daten. Die tatsächlichen biologischen Folgen hängen aber vom jeweiligen Zellkontext ab und müssen in passenden Modellsystemen überprüft werden.

Ein genaueres Modell dafür, wie Zellen DNA lesen

Das Codebook entstand in einer internationalen Zusammenarbeit mit mehr als zwei Dutzend Forschungseinrichtungen in Nordamerika, Europa und Russland. Seine Bedeutung liegt nicht allein in der Zahl der untersuchten Faktoren. Entscheidend ist auch die Kombination verschiedener Messverfahren, computergestützter Auswertung und einer Überprüfung in Zellen.

Gemeinsam zeigen die Studien, warum ein realistischeres Modell der Genregulation nötig ist. Menschliche Zellen lesen DNA nicht wie ein starres Wörterbuch, in dem jedes Motiv immer dieselbe Bedeutung hat. Sie berücksichtigen die Sequenz ebenso wie chemische Veränderungen, die verfügbaren Transkriptionsfaktoren und die Umgebung der jeweiligen Zelle. Das Codebook beginnt, dieses Sequenzvokabular zu katalogisieren. meSMiLE-seq zeigt zugleich, wie DNA-Methylierung die Art verändern kann, auf die dieses Vokabular gelesen wird.