Neue Erkenntnisse zur DNA-Organisation während des Zellzyklus

In Zellen spielt die Art und Weise, wie DNA strukturiert und organisiert ist, eine entscheidende Rolle dafür, wie Gene genutzt werden. Diese Struktur ändert sich im Laufe des Zellzyklus, besonders während und nach der Zellteilung, bekannt als Mitose. Während der Mitose zerfällt der Zellkern, und die DNA zieht sich eng zusammen, um Chromosomen zu bilden. Dieser Prozess schaltet die meisten Genaktivitäten vorübergehend aus. Wenn die Zellen die Mitose verlassen und in die nächste Phase des Zellzyklus, genannt G1, eintreten, muss die Organisation der DNA wiederhergestellt werden.

Neueste Studien haben gezeigt, dass verschiedene Strukturen innerhalb der DNA helfen, Gene und ihre regulatorischen Elemente zu organisieren. Zwei wichtige Arten von Strukturen werden als A/B-Kompartimente und Schleifen bezeichnet. Diese Strukturen sind entscheidend für die Genfunktion, da sie helfen, verschiedene Teile der DNA zusammenzubringen, die zusammenarbeiten müssen, wie Promotoren und Enhancer. Promotoren sind Bereiche, die helfen, die Genaktivität zu starten, während Enhancer helfen, diese Aktivität zu steigern.

Forscher haben eine neue Methode namens Region Capture Micro-C (RCMC) entwickelt, die es ihnen ermöglicht, die Organisation dieser Strukturen genauer zu betrachten als traditionelle Methoden. Mit RCMC haben Wissenschaftler winzige Interaktionseinheiten zwischen regulatorischen Elementen entdeckt, die zuvor unsichtbar waren und Mikrokopartimente genannt werden. Zu verstehen, wie diese Mikrokopartimente während des Zellzyklus, insbesondere während des Übergangs von Mitose zu G1, entstehen, ist entscheidend, um die Genregulation besser zu verstehen.

#Wichtige Konzepte

#Der Zellzyklus

Zellen durchlaufen einen Zyklus, der mehrere Phasen umfasst: Interphase, Mitose und Zytokinese. Während der Interphase ist die DNA entspannt und zugänglich, sodass Gene gelesen und exprimiert werden können. Die Mitose ist eine kurze Phase, in der sich die Zelle teilt und die DNA sich in Chromosomen verdichtet. Nach der Mitose treten die Zellen in G1 ein, wo sie sich auf die nächste Teilung vorbereiten.

#DNA-Struktur

DNA ist nicht nur ein langer Strang; sie ist hoch strukturiert organisiert. Wichtige Strukturen innerhalb der DNA umfassen:

• A/B-Kompartimente: Das sind grosse Regionen des Genoms, die helfen, Gene und regulatorische Elemente in unterschiedliche Bereiche basierend auf ihrer Aktivität zu organisieren.
• Topologisch assoziierende Domänen (TADs): Das sind kleinere Regionen innerhalb der A/B-Kompartimente, die Interaktionen zwischen Genen und ihren regulatorischen Elementen erleichtern.
• Schleifenstrukturen: Diese bringen entfernte Teile der DNA zusammen, um effektive Interaktionen zwischen Promotoren und Enhancern zu ermöglichen.

#Mikrokopartimente

Mikrokopartimente repräsentieren kleinere, dynamischere Interaktionen, die zwischen regulatorischen Elementen auftreten. Sie sind entscheidend für die Genregulation, besonders während des Übergangs von Mitose zu G1.

#Verständnis der Dynamik der DNA-Organisation

Während der Mitose durchläuft die Zelle erhebliche Veränderungen. Die Kernhülle zerfällt, das Chromatin verdichtet sich, und die Genexpression wird grösstenteils zum Schweigen gebracht. Das schafft eine einzigartige Umgebung, in der traditionelle Strukturen verloren gehen. Wenn die Zelle die Mitose verlässt, muss sie ihre DNA-Organisation wiederherstellen.

Neuere Forschungen haben RCMC verwendet, um die Dynamik der DNA-Strukturen während dieses Übergangs zu verfolgen. Die Ergebnisse zeigen, dass sich verschiedene Strukturen schrittweise bilden, kurz nachdem die Mitose endet. Diese Strukturen, einschliesslich A/B-Kompartimente und Schleifen, verstärken sich, während die Zelle in G1 übergeht.

#Entdeckung der Mikrokopartimente

Mit Hilfe von RCMC haben Forscher herausgefunden, dass Mikrokopartimente während der Mitose entstehen, entgegen früheren Annahmen, dass alle komplexen DNA-Strukturen während dieser Phase verloren gehen. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass selbst wenn die DNA eng gepackt ist, kleinere Interaktionen weiterhin stattfinden können, was das Potenzial für die Genregulation ermöglicht.

Mikrokopartimente zeigen ein einzigartiges Interaktionsmuster, das hauptsächlich durch regulatorische Elemente wie Enhancer und Promotoren angetrieben wird. Zu verstehen, wie sich diese Mikrokopartimente ändern und die Genaktivität beeinflussen, ist entscheidend, um die Komplexität der Genregulation aufzudecken.

#Die Rolle von Condensin in der DNA-Organisation

Condensine sind Proteine, die helfen, DNA während der Mitose zu verpacken. Sie spielen eine entscheidende Rolle bei der Formung der DNA-Struktur. Genauer gesagt, bindet Condensin II früh in der Mitose an das Chromatin, extrudiert grosse Schleifen von DNA, gefolgt von Condensin I, das kleinere Schleifen bildet. Der Verlust von Cohesin und CTCF während der Mitose führt zudem zum Verschwinden von TADs und anderen Strukturelementen.

Forschungen zeigen, dass, wenn Condensin entfernt wird, die A/B-Kompartimente ausgeprägter werden, während die Mikrokopartimente weitgehend unverändert bleiben. Das deutet darauf hin, dass diese beiden Arten von Strukturen unterschiedlich auf die Entfernung von Condensin reagieren.

#Untersuchung der Dynamik von Mikrokopartimenten

Um besser zu verstehen, wie Mikrokopartimente entstehen und funktionieren, führten Forscher Experimente an Mauserithrozyten durch, während sie vom Mitosen- in den G1-Zustand übergehen. Sie verwendeten RCMC, um die Interaktionsstärken zwischen regulatorischen Elementen während dieses Übergangs zu messen.

Die Analyse zeigte, dass Mikrokopartimente bereits in der Prometaphase vorhanden sind, bevor die Mitose abgeschlossen ist. Ihre Stärke erreicht während der Ana/Telophase, einer Übergangsphase, ihren Höhepunkt und schwächt sich allmählich, während die Zellen in G1 übergehen. Dies deutet darauf hin, dass während die DNA-Struktur komprimiert ist, wichtige Interaktionen weiterhin stattfinden, was eine vorübergehende Stabilisierung der Genaktivität ermöglicht.

#Visualisierung von Mikrokopartimenten

RCMC-Kontaktkarten ermöglichten es Wissenschaftlern, diese Mikrokopartimente im Detail zu visualisieren. Sie identifizierten Tausende von Interaktionen zwischen regulatorischen Elementen und fanden heraus, dass viele Interaktionen stabil waren und zu bestimmten Zeitpunkten im Zellzyklus ihren Höhepunkt in der Stärke erreichten. Das hebt die Rolle von Mikrokopartimenten bei der Aufrechterhaltung der Genregulation in verschiedenen Phasen hervor.

#Faktoren, die die Bildung von Mikrokopartimenten beeinflussen

Drei Hauptfaktoren scheinen die Stärke und Präsenz von Mikrokopartimenten zu beeinflussen:

1. Affinität: Die inhärente Anziehung zwischen regulatorischen Elementen hilft, die Interaktionen zu stabilisieren. Stärkere Affinitäten führen zu robusteren Mikrokopartimenten.

2. Aktivität der Schleifenextrusion: Die Dynamik der Schleifenextrusion – wie sich die Condensin- und Cohesin-Proteine bewegen – hat einen signifikanten Einfluss. Höhere Aktivitäten können Mikrokopartimente stören. Interessanterweise fördert die Schleifenextrusion A/B-Kompartimente, könnte aber Mikrokopartimente aufgrund der störenden Bewegungen dieser Proteine unterdrücken.

3. Chromatindichte: Während des Zellzyklus beeinflusst die Kompaktheit der DNA, wie Mikrokopartimente entstehen und ihre Struktur aufrechterhalten werden. Höhere Dichte fördert die Bildung von Mikrokopartimenten, während geringere Dichte sie schwerer nachweisbar macht.

#Simulationsstudien und Ergebnisse

Forscher verwendeten Computersimulationen, um die Dynamik der Mikrokopartimente während des Übergangs von Mitose zu G1 zu modellieren. Diese Simulationen halfen zu veranschaulichen, wie Änderungen in Dichte und Schleifenextrusionsaktivität zur Bildung und Stärke von Mikrokopartimenten beitragen.

Die Modelle deuteten darauf hin, dass Mikrokopartimente in dichter Umgebung, wie während der Mitose, ausgeprägter und stärker sind. Die Simulationsergebnisse replizierten experimentelle Befunde und unterstützen die Idee, dass Mikrokopartimente durch verschiedene Mechanismen unabhängig von A/B-Kompartimenten entstehen können.

#Die Bedeutung von Mikrokopartimenten

Die Existenz von Mikrokopartimenten bietet neue Einblicke in die Genregulation. Ihre Präsenz während der Mitose deutet darauf hin, dass die strukturelle Organisation komplexer ist, als zuvor gedacht. Diese winzigen Strukturen könnten die Genaktivierung beeinflussen, besonders während kritischer Übergänge im Zellzyklus.

Mikrokopartimente könnten sogar das Phänomen der erhöhten Genaktivität erklären, das beim Verlassen der Mitose beobachtet wird. Wenn sich die Zellen auf die nächste Teilung vorbereiten, könnten diese Interaktionen zu einem vorübergehenden Anstieg der Genaktivität führen, was Hinweise darauf gibt, wie Zellen ihre Genutzung schnell anpassen können.

#Fazit

Durch fortschrittliche Techniken wie RCMC und Simulationen haben Forscher bedeutende Einblicke in die dynamische Natur der DNA-Organisation während des Zellzyklus gewonnen. Die Entdeckung von Mikrokopartimenten stellt lange gehegte Überzeugungen über den Verlust struktureller Merkmale während der Mitose in Frage. Sie hebt die Bedeutung kleineren Interaktionen zwischen regulatorischen Elementen hervor, die zum gesamten regulatorischen Netzwerk beitragen.

Das Verständnis von Mikrokopartimenten und ihrer Bildung eröffnet neue Forschungsansätze zur Genregulation und Zellverhalten in Gesundheit und Krankheit. Die fortgesetzte Untersuchung der Mechanismen, die diese winzigen, aber bedeutenden Strukturen steuern, verspricht, unser Wissen über die Komplexität des zellulären Lebens zu erweitern.