Purdue-Tests geben Aufschluss über wichtige Entwicklungsstadien von Säugetieren

Isaiah Mensah (links), Doktorand in Biochemie von der Purdue University, und Humaira Gowher, außerordentlicher Professor für Biochemie, und ihre Mitarbeiter haben neue Erkenntnisse über die Embryonalentwicklung von Säugetieren veröffentlicht. (Purdue Agricultural Communications Foto/Tom Campbell)

WEST LAFAYETTE, Ind. – Ein Forschungsteam der Purdue University hat komplexe neue Details über die Funktion eines Schlüsselproteins enthüllt, das Säugetiere, einschließlich Menschen, gemeinsam haben. Viele Krebsarten entstehen, wenn dieses DNA-Methyltransferase-Protein schief geht.

Die Ergebnisse einer von einem Postdoktoranden und einem Doktoranden geleiteten Studie umfassen auch Beiträge von fünf Bachelor-Studenten und wurden in der Zeitschrift Cell Reports veröffentlicht. Die Ergebnisse zeigen zum ersten Mal den Mechanismus, durch den ein bestimmter RNA-Typ die Expression eines kritischen DNA-Methyltransferase-Gens, Dnmt3b, reguliert.

„Die Regulierung der DNA-Methylierung ist der Kern vieler Krankheiten“, sagte Humaira Gowher, außerordentlicher Professor für Biochemie. Aber unter normalen Bedingungen spielt die durch Dnmt3b katalysierte DNA-Methylierung eine wichtige Rolle dabei, wie sich junge, ungeformte Säugetierzellen teilen und zu spezialisierteren Zellen entwickeln. Die DNA-Methylierung reguliert auch den epigenetischen Prozess, der die genetische Kodierung umgeht und ausgewählte Merkmale an die Nachkommen von Säugetieren weitergibt.

„Wir zeigen in diesem Artikel, wie die DNA-Methyltransferase Dnmt3b während der frühen Entwicklung präzise und restriktiv exprimiert und dann abgeschaltet wird“, sagte Gowher.

Eine Fehlfunktion in Dnmt3b hat möglicherweise Auswirkungen auf das Verhalten von Krebszellen. Das liegt daran, dass bestimmte Bedingungen eine abnormale DNA-Methylierung verursachen. Und Veränderungen in der DNA-Methylierung seien zu entscheidenden Biomarkern für die Krebserkennung geworden, stellte sie fest.

In einer langen, sorgfältigen und abwechslungsreichen Reihe von Experimenten verfolgte Gowhers Team den Ort und Zeitpunkt der Dnmt3b-Expression, um den Mechanismus zu bestimmen, der sie steuert, indem es embryonale Stammzellen von Mäusen als Entwicklungsmodell verwendete. Stammzellen, die nur in Embryonen im Frühstadium vorkommen, können sich zu jedem anderen im Körper vorkommenden Zelltyp entwickeln.

Die Experimente zeigten ein Zusammenspiel mehrerer regulatorischer Moleküle. Das Team entdeckte, dass die nichtkodierende RNA, nachdem sie am Genpromotor eine offene Umgebung geschaffen hat, in der alle Aktionen beginnen, auch das Spleißprotein hnRNPL an die Gentranskribierungslokomotive RNA Pol II liefert. Letzterer befördert das trampende Spleißprotein zu seinem molekularen Arbeitsplatz, der weiter vom Promotor im Genkörper entfernt ist.

„Die nichtkodierenden RNAs haben die Fähigkeit, Spleißfaktoren zu binden. Sie können diesen Spleißfaktor zur RNA-Polymerase am Promotor bringen, und die Polymerase wird ihn mitnehmen“, sagte Gowher.

Die Ergebnisse zeigten, dass zwei genetische Prozesse – Transkription und alternatives Spleißen – als Doppelkontrollen bei der Feinabstimmung der verschiedenen Formen von Dnmt3b dienen, sagte Mohd Saleem Dar, Hauptautor des Cell Reports-Artikels. Bei der Transkription kopiert RNA eine DNA-Sequenz, um die zelluläre Proteinproduktion zu unterstützen. Und durch alternatives Spleißen kann ein Gen Hunderte von DNA-Sequenzen kombinieren, um auf unterschiedliche Weise Proteine ​​herzustellen.

„Als ich diese naiven embryonalen Mausstammzellen differenzierte und die Expression von Dnmt3b überprüfte, sah ich, dass es induziert wurde“, sagte Dar, jetzt wissenschaftlicher Mitarbeiter am National Institutes of Health. Im induzierten Zustand löst Dnmt3b die Zellentwicklung aus. „Und mit dieser Induktion sahen wir das Spleißen“, sagte er.

Dar untersuchte auch die Beziehung zwischen alternativem Spleißen und dem Expressionszustand von Dnmt3b.

„Sie müssen das vollständige Bild des alternativen Dnmt3b-Spleißens während seiner niedrigen und hohen Expressionszustände zeigen“, sagte Gowher. Als Dar sich das alternative Spleißen des niedrig exprimierten Zustands ansah, bemerkte er, dass die Wahl des alternativen Spleißens zum Dnmt3b-Protein führte, das keine enzymatische Aktivität aufweist. Bei einem hohen Expressionszustand wechselte jedoch das alternative Spleißen, was zur Expression des enzymatisch aktiven Proteins führte.

„Dieser Mechanismus könnte mehrere Funktionen haben, einschließlich der Verhinderung einer beeinträchtigten Entwicklung aufgrund einer falschen DNA-Methylierung in einem frühen Stadium“, sagte sie.

Die Studie zeigte, dass Dnmt3bas in embryonalen Stammzellen Proteine ​​liefert, die den Dnmt3b-Genpromotor in einem „vorbereiteten“ Zustand halten, um während der Differenzierung Aktivierungssignale zu empfangen. Am aktivierten Promotor liefert Dnmt3bas auch Spleißproteine, die an Pol II binden und so die Genexpression mit alternativem Spleißen koordinieren.

Die fünf Co-Autoren im Grundstudium waren die frischgebackenen Absolventen Hannah Whitlock und Nina Bippus sowie Madison Ceminsky, Martin Emerson und Hern Tan. Sie leisteten Dar und den Co-Autoren Isaiah Mensah und Sarah McGovern, die beide Biochemie-Absolventen sind, wertvolle Hilfe.

Weitere Co-Autoren waren der wissenschaftliche Mitarbeiter Ming He; Ikjot Singh Sohal, Postdoktorand am Purdue Institute for Cancer Research; und Mark Hall, außerordentlicher Professor für Biochemie.

Die National Science Foundation und das Purdue Institute for Cancer Research haben dieses Projekt finanziert.