Der Abdruck des Lebens auf der DNA ist nun in einer einzigen Zelle abbildbar

Forscher in Großbritannien haben eine leistungsfähige neue Technik entwickelt, die eine einzelne Zelle verwendet, um die epigenetischen Markierungen abzubilden, die das Leben auf unserer DNA hinterlässt. Die Entwicklung wird als Durchbruch angesehen, weil sie den Wissenschaftlern ermöglicht, die Auswirkungen der Umwelt auf die DNA besser zu verstehen, etwa während des frühen Lebens des Embryos und bei der Entwicklung von Krankheiten wie Krebs.

Das Team, bestehend aus Mitgliedern des Babraham Institute - einem Forschungszentrum, das vom Biotechnology and Biological Sciences Forschungsrat (BBSRC) finanziert wird - und dem Wellcome Trust Sanger Institut, beide in Cambridge, berichtet über seine Ergebnisse in der Zeitschrift Natur Methoden.

Das Verschmelzen von Sperma und Ei erzeugt einen neuen Organismus mit seiner eigenen DNA, der grundlegenden Verkettung von Anweisungen, wie Wachstum und Entwicklung sich entfalten sollten. Aber kürzlich in der Geschichte der DNA-Forschung haben Wissenschaftler entdeckt, dass es eine weitere Schicht von Anweisungen über die DNA-Boiler-Platte gibt - "epigenetische Markierungen" oder chemische Markierungen, die die DNA annotieren.

Epigenetische Karte ist ein "zelluläres Gedächtnis"

Epigenetische Markierungen verändern nicht die zugrundeliegende DNA-Sequenz, aber sie fügen zusätzliche Anweisungen hinzu, die verschiedene Dinge tun, wie bestimmte Gene zum Schweigen bringen und andere einschalten, um eine Hautzelle von einer Gehirnzelle zu unterscheiden; Sie verändern auch das Genverhalten entsprechend den Umweltbedingungen.

So gibt es, ebenso wie die DNA selbst, eine epigenetische Karte, die als eine Art "zelluläres Gedächtnis" für die Erfahrung und Reaktion einer Zelle auf Umweltbedingungen fungiert.

Dieser Speicher bleibt lange erhalten, nachdem die Bedingung in der Umgebung, die ihn ausgelöst hat, verblasst ist. Zum Beispiel könnte eine Änderung der Ernährung zu einer Veränderung der epigenetischen Karte führen und die langfristige Gesundheit des Organismus beeinflussen.

Wissenschaftler beginnen zu erkennen, dass die Erforschung der Epigenetik für das Verständnis von Gesundheit und Krankheit ebenso wichtig ist wie das Studium der zugrunde liegenden DNA. Aber die Werkzeuge, um dies zu tun, sind nicht ideal. Die Forscher mussten sich auf die Verwendung von Mäusen als Modelle für die frühe Entwicklung des Menschen verlassen, und Gewebe für die Analyse ist sehr eingeschränkt.

Neue Technik bietet eine beispiellose Fähigkeit, epigenetische Prozesse zu studieren

Die Fähigkeit, die Karte aller epigenetischen Merkmale einer Person mit nur einer einzigen Zelle zu untersuchen, ist ein bedeutender Schritt vorwärts und gibt Forschern eine "beispiellose Fähigkeit, epigenetische Prozesse zu untersuchen", erklärt der korrespondierende Autor Dr. Gavin Kelsey vom Babraham Institute :

"Die Fähigkeit, die vollständige Karte dieser epigenetischen Markierungen von einzelnen Zellen zu erfassen, wird entscheidend für ein vollständiges Verständnis der frühen embryonalen Entwicklung, der Krebsprogression und der Entwicklung von Stammzelltherapien sein."

Das Team erwartet, dass eine solche Anwendung möglicherweise die Anzahl der Mäuse, die derzeit für die epigenetische Forschung verwendet werden, reduzieren könnte.

Einer der chemischen Prozesse, die epigenetische Markierungen erzeugen, wird DNA-Methylierung genannt, wobei ein Methyl-Tag an die DNA angehängt wird. Die Methode, die die Forscher in ihrer Arbeit beschreiben, behandelt die DNA mit Bisulfit, um alle epigenetischen Methylierungsmarkierungen im gesamten Genom zu lokalisieren.

Die behandelte DNA wird dann unter Verwendung von Hochdurchsatz-Gensequenzierern, die die Orte der Methylierungsmarkierungen und der betroffenen Gene zeigen, amplifiziert und gelesen.

Zum ersten Mal können Forscher verfolgen, was in einzelnen Zellen passiert

Gegenwärtige Verfahren suchen nach epigenetischen Markierungen in Zellgruppen. Dies bedeutet, dass es nicht klar ist, was in einer einzelnen Zelle passiert ist. Die neue Technik ermöglicht es Forschern zu verfolgen, was in einzelnen Zellen zu einem kritischen Zeitpunkt in der frühen Entwicklung eines Embryos geschieht - wenn jede Zelle das Potenzial hat, sich auf einzigartige Weise zu entwickeln.

Mit ihrer neuen Technik hat das Team bereits festgestellt, dass viele der epigenetischen Markierungen, die sich zwischen Zellen unterscheiden, an Orten sind, die die Genaktivität kontrollieren.

Dr. Kelsey sagt, dass die Proof-of-Principle-Studie zeigt, dass "eine epigenetische Analyse einzelner Epithelzellen im großen Maßstab möglich ist, um zu verstehen, wie epigenetische Veränderungen die embryonale Entwicklung steuern".

"Die Anwendung von Einzelzellansätzen für das epigenetische Verständnis geht weit über die biologische Grundlagenforschung hinaus", fügt er hinzu. "Zukünftige klinische Anwendungen könnten die Analyse von individuellen Krebszellen beinhalten, um Klinikern die Informationen zur Verfügung zu stellen, um Behandlungen anzupassen, und Verbesserungen in der Fertilitätsbehandlung durch das Verständnis des Potentials für epigenetische Fehler in Techniken der assistierten Reproduktion."

Die Finanzierung der Studie wurde vom BBSRC, dem Medical Research Council (MRC), dem Wellcome Trust, EU Blueprint und EU EpiGeneSys bereitgestellt.

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