5 Fragen anInterview
Wenn sich die DNA verändert, aber die genetische Regulation bleibt
Forschende des Berlin Institute of Health in der Charité (BIH) und des Max Planck Instituts für Molekulare Genetik haben in einer Kooperation mit internationalen Kolleg*innen ein Paper in Nature Genetics veröffentlicht in der sie eine Methode entwickeln um evolutionär konservierte Enhancer zu identifizieren, die sich im Laufe der Zeit so stark verändert haben, dass ihre DNA-Sequenzen keine Übereinstimmung mehr aufweisen. Im Interview berichtet Dr. Daniel Ibrahim, Studienleiter und Letztautor der Publikation, von den Forschungsergebnissen.
Welche Fragestellung wollten Sie beantworten, was hat Sie besonders interessiert?
Bei der Entwicklung von Organen wie dem Herzen greifen evolutionär hochkonservierte genetische Programme, die bei Mensch und Tier in bemerkenswerter Weise übereinstimmen. Das heißt, die Sequenzen der für die Organentwicklung verantwortlichen Gene sind über Hunderte Millionen Jahre hinweg nahezu unverändert geblieben – etwa zwischen Mensch, Maus und Huhn. Nicht nur das, bei der Entwicklung z.B. des Herzens sind bei Mensch und Tier die selben Gene verantwortlich.
Was sich allerdings stark verändert hat, sind die “regulatorischen” Bereiche des Genoms, die bestimmen in welchen Zellen oder Organen die Gene aktiv sind. Und hier ist es unter Genetiker*innen bekannt, dass diese sogar noch viel weniger konserviert sind, als man das erwarten würde. Das ergab für mich keinen Sinn. Warum sollten die Gene und deren Aktivität hochkonserviert sein, aber die Bereiche des Genoms, die die Aktivität steuern besonders niedrig?
Unsere Hypothese war deshalb, dass gängige bioinformatische Methoden zur Identifizierung konservierter Enhancer zu sehr auf den Erhalt der exakten DNA-Sequenz achten und dabei übersehen, dass die regulatorische Aktivität auch erhalten bleiben könnte wenn sich die Sequenz ändert.
Welche spezifischen Herausforderungen gab es?
Es gab eine zentrale Herausforderung: Woher wissen wir, dass zwei Enhancer in Maus und Mensch von der gleichen Vorgängersequenz abstammen, wenn sie nicht mehr die gleiche Abfolge von As, Cs, Ts, und Gs haben?
Klassischerweise würde man ja annehmen, dass nur dann wenn die DNA-Sequenz sich nicht verändert auch die Funktion erhalten bleiben kann. Aber gerade für Enhancer gibt es gute Gründe anzunehmen, dass dies nicht zutrifft und zwei ganz unterschiedliche Sequenzen dafür sorgen können, dass ein Gen z.B. vor allem im Herz aktiv ist und in anderen Organen nicht.
Um dieser Problematik zu begegnen, haben wir zusammen mit den Kolleg*innen aus der Gruppe von Martin Vingron am MPI für Molekulare Genetik und Boris Lenhard vom Imperial College in London einen neuen Algorithmus entwickelt. Mit diesem kann man anhand der Position im Genom (also auf welchem Chromosom und wo dort genau) vorhersagen wo die äquivalente Position in einem anderen Genom ist.
Eine weitere Herausforderung bestand darin, ein geeignetes und klinisch relevantes Modell bzw. Beispiel zu wählen. Hier haben wir beschlossen uns die Entwicklung des Herzens anzusehen, nicht zuletzt, weil viele angeborene Herzfehler eine unklare genetische Ursache haben, und möglicherweise auf Veränderungen in wichtigen Enhancern zurückzuführen sind.
Was hat Sie überrascht und ggf. warum? Was war neu?
Mich hat überrascht wie viele funktionell konservierte Enhancer sich mit unserem neuen Verfahren identifizieren ließen – deutlich mehr, als bisherige Methoden detektiert hatten. Konkret konnten wir etwa fünfmal so viele konservierte regulatorische Elemente zwischen Maus und Huhn vorhersagen wie bislang bekannt!
Bemerkenswert war, dass diese Elemente zwar keinerlei Sequenzähnlichkeit aufwiesen, sich aber in ihrer Aktivität, d. h. in der räumlich-zeitlichen Steuerung von Genexpression, genauso ähnlich waren wie Enhancer deren Sequenz sich seit dem letzten gemeinsamen Vorfahren fast gar nicht verändert hat (solche gibt es natürlich auch). Das war ein klarer Hinweis darauf, dass funktionelle Konservierung auch ohne Sequenzkonservierung besteht – eine Annahme, die bisher oft vernachlässigt wurde.
Welche Bedeutung könnte der Erfolg für künftige Patient*innen haben?
Ein zentrales Ergebnis unserer Arbeit ist ein bioinformatisches Werkzeug namens IPP (Interspecies Point Projection), das wir der wissenschaftlichen Community zur Verfügung stellen. Alle die interessiert daran sind zu wissen wo sich z.B. humane Enhancer im Genom der Maus oder Ratte oder Huhn oder Fisch befinden, können es sofort anwenden.
Das ist zum Beispiel für die Interpretation von genetischen Varianten im nicht-kodierenden Genom von großer Bedeutung, etwa bei unklaren genetischen Befunden bei Patient*innen.
Zudem eröffnet unser Tool eine wichtige Brücke Erkenntnisse aus Tiermodellen auf den Menschen zu übertragen oder Hinweise aus der Klinik in Tiermodellen präziser zu erforschen – ein wichtiger Schritt hin zu einer funktionell informierten Diagnostik.
Wo sehen Sie die translationale Brücke zwischen Forschung und Anwendung?
In der Forschung ist es primär wichtig, dass man Fragen findet, deren Beantwortung man für wichtig erachtet. Eine besondere Herausforderung der Translation besteht dann aber darin, die eigenen Erkenntnisse auch anwendbar zu machen. Bei einem genomisch/bioniformatischen Tool wie unserem liegt das in der unmittelbaren Anwendbarkeit des entwickelten Verfahrens.Unser Anspruch war es, nicht nur ein neues theoretisches Konzept zu etablieren, ein Paper zu schreiben und sich darüber zu freuen, dass man ein Problem gelöst hat. Uns war es wichtig unsere Arbeit und Erkenntnisse so aufzubereiten, dass es anderen möglichst leicht fällt darauf aufzubauen.
Das haben wir versucht, indem wir ein gut dokumentiertes und öffentlich zugängliches Tool bereitstellen, so dass man schnell in die Anwendung kommt. Sollten interessierte Wissenschaftler*innen eine Reihe von interessanten Enhancern in bestimmten Immunzellen oder Neuronen identifiziert haben, können sie mit IPP nun direkt sehen ob es diese Elemente eigentlich auch in anderen Spezies gibt und ob diese Regionen in diesen Modellorganismen vielleicht besser erforscht sind als beim Menschen.
