Wissenschaftler haben herausgefunden, wie das DDM1-Protein beim Methylierungsprozess hilft, der „springende Gene“ in Pflanzen zum Schweigen bringt. Ihre Ergebnisse zeigen auch, wie die Interaktion von DDM1 mit spezifischen Histonen die Aufrechterhaltung epigenetischer Kontrollen über Generationen hinweg gewährleistet, was Auswirkungen auf die Landwirtschaft und die Humangenetik haben könnte.
Wenn Organismen ihre Gene an zukünftige Generationen weitergeben, enthalten sie mehr als den vorgeschriebenen Code DNA. Einige geben auch chemische Markierungen weiter, die den Zellen Anweisungen zur Verwendung dieses Codes geben. Die Weitergabe dieser Zeichen an zukünftige Generationen wird als epigenetische Vererbung bezeichnet. Besonders häufig kommt es bei Pflanzen vor. Daher können die hier wichtigen Erkenntnisse Auswirkungen auf die Landwirtschaft, die Lebensmittelversorgung und die Umwelt haben.
Die Professoren des Cold Spring Harbor Laboratory (CSHL) und HHMI-Forscher Rob Martinsen und Limore Joshua Tour untersuchten, wie Pflanzen die Marker passieren, die Transposons inaktiv halten. Transposons werden auch als Transposons bezeichnet. Wenn es aktiviert ist, kann es sich bewegen und andere Gene deaktivieren. Um sie zum Schweigen zu bringen und das Genom zu schützen, fügen Zellen an bestimmten Stellen der DNA regulatorische Marker hinzu. Dieser Vorgang wird Methylierung genannt.
Arabidopsis thaliana ist eine Pflanzenart, die häufig für grundlegende biologische Entdeckungen genutzt wird. Mithilfe dieses vielseitigen Tests haben CSHL-Wissenschaftler nun praktische Geheimnisse entdeckt, die bei der Kontrolle der Vererbung helfen. Bildnachweis: Martinsen Laboratory/Cold Spring Harbor Laboratory
Martinsen und Joshua Tor haben nun gezeigt, wie das DDM1-Protein dem Enzym Platz macht, das diese neuen DNA-Stränge markiert. Pflanzenzellen benötigen DDM1, weil ihre DNA so dicht gepackt ist. Um ihre Genome kompakt und geordnet zu halten, wickeln Zellen ihre DNA um Proteine, sogenannte Histone. „Aber dadurch wird der Zugang zur DNA für allerlei wichtige Enzyme blockiert“, erklärt Martinsen. Bevor es zur Methylierung kommen kann, „müssen die Histone entfernt oder aus dem Weg geräumt werden.“
Martinsen und ehemaliger CSHL-Teamkollege Eric Richards Finden Sie es zum ersten Mal heraus DDM1 vor 30 Jahren. Seitdem haben Forscher herausgefunden, dass es DNA entlang seiner Verpackungsproteine scrollt, um Stellen zu erkennen, die einer Methylierung bedürfen. Martinsen vergleicht die Bewegung mit einem Jo-Jo, das an einer Schnur entlanggleitet. Er erklärt, dass Histone „sich auf der DNA auf und ab bewegen können und jedes Mal DNA-Stücke freilegen, aber niemals abfallen.“
Dieses Cartoon-Modell zeigt erstmals, wo und wie sich das DDM1-Protein (lila) während der Zellteilung an die DNA (beige) anlagert. Bildnachweis: Joshua Tor Lab/Cryogenic EM Facility/Cold Spring Harbor Lab
Durch genetische und biochemische Experimente identifizierte Martensen die genauen Histone, die DDM1 transloziert. Joshua Torr nutzte kryogene Elektronenmikroskopie, um detaillierte Bilder der Interaktion des Enzyms mit DNA und den damit verbundenen Verpackungsproteinen aufzunehmen. Sie konnten beobachten, wie DDM1 bestimmte Histone einfängt, um verpackte DNA umzugestalten. „Es stellte sich heraus, dass die unerwartete Verbindung, die DDM1 zusammenhält, mit der ersten Mutation übereinstimmt, die vor all diesen Jahren gefunden wurde“, sagt Joshua Tor.
Die Experimente zeigten auch, wie die Affinität von DDM1 zu bestimmten Histonen die epigenetische Kontrolle über Generationen hinweg aufrechterhält. Das Team zeigte, dass Histone, die nur in Pollen vorkommen, gegen DDM1 resistent sind und bei der Zellteilung als Platzhalter fungieren. „Es merkt sich, wo sich die Histone während der Pflanzenentwicklung befanden, und bewahrt diese Erinnerung für die nächste Generation auf“, sagt Martinsen.
Pflanzen dürfen hier nicht allein sein. Auch Menschen sind auf DDM1-ähnliche Proteine angewiesen, um die DNA-Methylierung aufrechtzuerhalten. Die neue Entdeckung könnte helfen zu erklären, wie diese Proteine unsere Genome funktionsfähig und intakt halten.
Referenz: „Chromatin-Remodellierung von Histon-H3-Varianten durch DDM1 liegt der Epigenetik der DNA-Methylierung zugrunde“ von Sung-Chu Lee, Dexter W. Adams und Jonathan J. Ipsaro, Jonathan Kan, Jason Lin, Hyun-soo Kim, Benjamin Berube, Victoria Major, Joseph B. Calarco, Chantal LeBlanc, Sonali Bhattacharjee, Omamaheswari Ramu, Daniel Grimanelli, Yannick Jacob, Philip Voigt, Limor Joshua Tour und Robert A. Martinsen, 28. August 2023, hier verfügbar. Zelle.
doi: 10.1016/j.cell.2023.08.001
Die Studie wurde gefördert durch Nationales Gesundheitsinstitutund die National Science Foundation, das Howard Hughes Medical Institute, der Wellcome Trust und der Europäische Forschungsrat für die Horizon 2020-Initiative.
