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Medizin

24. Januar 2019 Zusammenspiel zwischen DNA und Genregulatoren

Ein Lichtschalter hat 2 Zustände, er ist entweder an oder aus. Bei einem Genschalter ist die Sache etwas komplizierter. Wie komplex und dynamisch das Zusammenspiel zwischen DNA und Genregulatoren ist, haben Ulmer Forscher am Beispiel des Transkriptionsfaktors SRF untersucht, und zwar „live“ auf Einzelzellebene. Das Ergebnis: Eine wesentliche Rolle bei der Steuerung der genetischen Aktivität spielen Bindungsstelle und Bindungsdauer, über die der untersuchte Transkriptionsfaktor mit der DNA interagiert.
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Transkriptionsfaktoren sind Genregulatoren, die mit der Transkription einen biologischen Grundprozess in Gang bringen. Dabei wird der genetische Code der DNA ausgelesen und als Vorversion eines Bauplanes für die spätere Synthese von Biomolekülen bereitgestellt. Die Genregulatoren steuern also die genetische Aktivität. „Für unsere Untersuchungen haben wir uns den Transkriptionsfaktor SRF ausgesucht, der unter anderem eine Schlüsselrolle bei der Embryonalentwicklung spielt und auch im ausgewachsenen Organismus, vor allem im Gehirn, eine Vielzahl von Genen reguliert“, erklärt Professor Bernd Knöll vom Institut für Physiologische Chemie der Universität Ulm.

Transkriptionsfaktor SRF

„Bisher war bereits bekannt, dass SRF in seiner aktivierten Form bis zu 1.000 Gene in einer Zelle anschaltet. Stimuliert wird er dazu von bestimmten Wirkstoffen, beispielsweise durch Wachstumsfaktoren“, erläutert Lisa Hipp, Doktorandin am Institut für Physiologische Chemie und Erstautorin der Studie. Die Ulmer Wissenschaftler konnten nun erstmals zeigen, dass die Genaktivierung vom Bindungsverhalten einzelner SRF-Moleküle abhängt, das sich nach der Zellstimulation massiv verändert: Die Genregulatoren binden dann länger an die DNA, und die Anzahl der längergebundenen SRF-Moleküle nimmt ebenfalls zu. Entscheidend dabei sind nicht nur die Bindungsstellen, an denen der untersuchte Genregulator andockt, sondern auch die Aktivität von SRF-Partnerproteinen (wie dem Ko-Faktor MRTF) beeinflusst das Bindungsverhalten des Transkriptionsfaktors SRF.

Lichtblattmikroskopie

Um diese Prozesse auf Einzelzellebene sichtbar zu machen, haben die Forscher auf eine besondere Mikroskopietechnik zurückgegriffen, die Untersuchungen in lebenden Zellen mit molekularer Auflösung erlaubt: die Lichtblattmikroskopie. Unterstützt wurden sie dabei von den Ulmer Biophysikprofessoren Christof Gebhardt und Jens Michaelis aus dem Institut für Biophysik, die dieses besondere fluoreszenzmikroskopische Bildgebungsverfahren weiterentwickelt haben. Bei diesem „Single Molecule Tracking“-Verfahren können speziell markierte Biomoleküle und deren Bewegungen in lebenden Zellen sichtbar gemacht werden. Um die Bindungsaktivitäten über die Zeit zu verfolgen, wurden die SRF-Moleküle mit einem photostabilen fluoreszierenden Biofarbstoff markiert. Die hohe Sensitivität bei der Aufnahme kommt zustande, weil nur eine dünne Schicht der Probe beleuchtet wird. Außerdem ist das Verfahren so schonend, dass die Biomoleküle keinen Schaden nehmen.

„Unsere gemeinsame Studie hat grundlegende Erkenntnisse zur Aktivität von Transkriptionsfaktoren und zur Genregulierung zutage gebracht. Diese helfen dabei, die komplexe und hochdynamische Interaktion zwischen Genschaltern und der DNA besser zu verstehen“, so das Ulmer Forscherteam. „Solche komplexen Prozesse lassen sich mittlerweile nur durch fachübergreifende und transdisziplinäre Zusammenarbeit entschlüsseln, bei der Forscher mit unterschiedlichen Expertisen zusammenarbeiten. In unserem Fall waren dies Zellbiologen und Biophysiker“, betonen die Autoren der Studie.

Quelle: Universität Ulm


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