Wie väterliche und mütterliche DNA sich gegenseitig anpassen

29.03.2017

ForscherInnen des IMBA (Instituts für Molekulare Biotechnologie der Akademie der Wissenschaften) konnten dank einer neuen Methode erstmals visualisieren, wie sich mütterliche und väterliche DNA unmittelbar nach der Befruchtung verhalten, wie eine aktuelle Publikation des Fachjournals Nature berichtet. Es herrscht eine Art Wettrennen, welches Erbgut sich als erstes in der verschmolzenen Ei-Samen-Zelle strukturiert und wie die richtige Organisation der beiden Kernmassen bestimmt, ob das Wunder Leben einwandfrei funktionieren kann.

Die Chromatinstruktur männlicher und weiblicher Nuclei ist einzigartig und unterscheidet sich von der Struktur anderer Zelltypen in der Interphase.

Ei- und Samenzelle sind zwei Zellen, die unterschiedlicher nicht sein könnten. Treffen sie aufeinander, verschmelzen sie zu einer neuen Einheit. Verläuft dieser wundersame Prozess einwandfrei, kann die sogenannte Zygote, durch unzählige Teilungen als einzige Zelle des Körpers einen eigenständigen neuen Organismus hervorbringen. Damit das Wunder Leben gelingt, zählen nicht nur die Gene alleine, sondern auch deren richtige „Verpackung“.

Alleskönner-Eigenschaften dank richtiger Verpackung der DNA

Bei der Befruchtung müssen Ei- und Samenzelle „vergessen“, was vor ihrem Rendezvous passiert ist. Eine wesentliche Rolle für dieses Gedächtnis der Zellen spielt die DNA-Verpackung aus Proteinen, das sogenannte Chromatin. Dank sogenannter „epigenetischen“ Mechanismen sind bestimmte Gene prominent und gut lesbar platziert, andere hingegen versteckt und unleserlich unter Lagen von Proteinen verborgen. Die einzigartige Chromatinstruktur jeder Zelle, die nur bestimmte Gene lesbar macht, bestimmt also, wie sich eine Zelle entwickeln oder verhalten wird. So lässt sich erklären, warum es über 250 verschiedenste Zellarten gibt, obwohl deren DNA identisch ist.

Wie weiß eine Zelle, was zu tun ist?

In einer Zygote müssen sich gleich zwei Chromatin- Pakete – ein mütterliches und ein väterliches – zu einzigartigen Kernmassen organisieren, bevor die erste Zellteilung erfolgen kann. Nur wenn die DNA-Proteinstruktur richtig gefaltet ist, wird die Zygote zu der mächtigsten Stammzelle des Körpers, der Mutter aller Zellen.

Um genau zu analysieren, wie sich die beiden Chromatin-Pakete in einer Mauszygote unmittelbar nach der Befruchtung verhalten, schloss sich ein internationales Team geführt von ForscherInnen des IMBA mit dem MIT in Boston und der Lomonosov Moskau State Universität zusammen. Neueste Sequenziermethoden, Bioinformatik und mathematische Modelle zur Darstellung von Proteinen erlaubten es den ForscherInnen, die speziellen Muster zu erkennen, die bei Neu-Ausrichtung der beiden Chromatin-Pakete entstehen. Diese Methode könnte auch bei anderen seltenen Zellarten, wie etwa Tumorzellen, zum Einsatz kommen, um deren Chromatinstruktur zu erforschen, um so die Biologie von Krebszellen ganzheitlich zu verstehen.

Mütterliches und väterliches Chromatin verhalten sich unterschiedlich

„Tatsächlich konnten wir nachweisen, dass sich – unmittelbar nach der Befruchtung – mütterliches und väterliches Chromatin sehr unterschiedlich verhalten,“ erklärt die gebürtige Oberösterreicherin Johanna Gassler, Doktorandin am IMBA und eine Erstautorin der Studie. „Väterliches Chromatin scheint sich schneller zu organisieren, als das mütterliche. Außerdem konnten wir feststellen, dass die Neuausrichtung des Chromatins der Zygote vor der allerersten Zellteilung einzigartig ist. Bei Körperzellen organisiert sich die Kernmasse in den Phasen zwischen den Zellteilungen völlig anders.“

Letztautorin und IMBA-Gruppenleiterin Kikue Tachibana-Konwalski ist von den Geheimnissen der Eizelle fasziniert und bereits seit Jahren dem Wunder Leben – vor allem den allerersten molekularen Schritten – auf der Spur. Von den Ergebnissen erhofft sie sich aber auch neue Erkenntnisse für das aufstrebende Gebiet der Stammzellbiologie. „Nicht nur im Bereich der Reproduktionsmedizin bringen uns neue Erkenntnisse über Ei-und Samenzelle weiter. In der Zygote werden gleich zwei verschiedene Chromatin-Strukturen sehr effizient umprogrammiert. Von dieser „Super-Stammzelle“ kann man erstaunlich viel lernen, und diese Erkenntnisse könnten in Zukunft etwa im Bereich der Regenerationsmedizin Anwendung finden,“ zeigt sich Kikue Tachibana-Konwalski begeistert über das vielseitige Anwendungsgebiet ihres liebsten Forschungsobjekts - der Eizelle.

Originalpublikation: “Single-nucleus Hi-C reveals unique chromatin reorganization at oocyte-to-zygote transition”, Flyamer, Gassler, Imakaev et al. , Nature, DOI 10.1038/nature21711

 

 

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