Gentechnik

Wie Wissenschaftler die Gene untersuchen, die die vollständige Regeneration des Körpers steuern

Bei anderen Tieren geht der Regenerationsprozess noch weiter. Planaria, Quallen und Anemonen können ihren Körper wiederherstellen, indem sie in Stücke geschnitten werden.

Eine Gruppe von Wissenschaftlern unter der Leitung von Mensi Srivastava, Professor am Department of Evolutionary Biology der Harvard University, beleuchtet die Funktionsweise von Tieren und untersucht gleichzeitig eine Reihe von DNA-Schaltern, die die Gene zur vollständigen Regeneration zu steuern scheinen vom Körper.

Mit der kichererbsenfreien Turbellaria Hofstenia miamia entdeckten Srivastava und Andrew Gerke – ein Postdoc in ihrem Labor – eine nicht-kodierende DNA, die die Aktivierung des Master-Gens für die AGR (Early Growth Response) steuert. Da die AGR aktiv ist, steuert sie viele Prozesse, indem sie andere Gene „einschließt“ und „ausschaltet“.

„Wir haben festgestellt“, sagt Gercke, „dass dieses Master-Gen Gene aktiviert, die während der Regeneration„ eingeschaltet “werden. Es stellt sich heraus, dass nicht-kodierende Regionen der DNA kodierende Regionen ein- oder ausschalten „ordnen“, und daher wäre es richtig, sie „Schalter“ zu nennen. „

Damit dieser Prozess funktioniert, muss die DNA in Hofstenia miamia-Zellen, die normalerweise kompakt und eng gefaltet sind, ihre Struktur ändern und neue Stellen für Aktivierungszwecke zur Verfügung stellen.

Laut Gerk werden viele dieser sehr dicht gepackten Abschnitte des Genoms physisch offener, weil Kontrollschalter vorhanden sind, die Gene „einschalten“ oder „ausschalten“. Wie in der Veröffentlichung angegeben, ist das Genom sehr dynamisch und verändert sich während der Regeneration, da sich seine verschiedenen Teile öffnen und schließen.

Um die Dynamik des Genoms von Hofstenia miamia zu verstehen, mussten Gerke und Srivastava es zuerst sequenzieren, was an sich nicht einfach ist.

„Ein Großteil der Arbeit ist diesem Thema gewidmet“, sagt Srivastava. – Wir haben das Genom dieser Art entschlüsselt, und das ist wichtig, weil es das erste entschlüsselte Genom dieser Art von Organismus ist. Bisher gab es keine vollständige Sequenz des Genoms. „

Sie wies auch darauf hin, dass die darmlosen Turbellarier von Hofstenia miamia ein neues Modell für das Studium der Regeneration sind.

„Frühere Arbeiten mit anderen Arten haben uns geholfen, viel über die Regeneration zu lernen“, sagt Srivastava. „Es gibt jedoch Gründe, mit diesen neuen Organismen zu arbeiten.“ Eine davon ist, dass Hofstenia miamia eine wichtige phylogenetische Position einnimmt. Aufgrund ihrer Beziehung zu anderen Tieren können Wissenschaftler eine Reihe von Aussagen zur Evolution treffen. Der zweite Grund für das Interesse an Hofstenia miamia ist, wie Srivastava sagt, dass sie für die Rolle von Laborratten großartig sind. „Ich habe sie vor einigen Jahren während meines Postdoktorats auf Bermuda gesammelt. Seitdem wir sie ins Labor gebracht haben, haben sie sich als viel geeigneter für die Arbeit erwiesen als andere Organismen.“

In Zusammenarbeit mit Hofstenia miamia konnten Wissenschaftler die Dynamik des Genoms während der Regeneration nachweisen – Gerke konnte 18.000 veränderte Genomregionen nachweisen. Shrivastava zufolge erzielten sie im Verlauf dieser Arbeit wirklich aussagekräftige Ergebnisse. Sie zeigte, dass die AGR als „Schalter“ für die Regeneration fungiert – wenn sie eingeschaltet ist, werden andere Prozesse gestartet, aber ohne sie passiert nichts.

„Wir konnten die Aktivität dieses Gens reduzieren und haben festgestellt, dass nichts passiert, wenn Sie keine AGR haben. Tiere können sich einfach nicht regenerieren. Alle nachgeschalteten Gene werden nicht eingeschaltet, weil diese anderen „Schalter“ nicht funktionieren und bildlich gesprochen das ganze Haus in Dunkelheit getaucht ist. „

Durch die Entdeckung neuer Daten zur Funktionsweise des Prozesses bei Würmern hilft die Arbeit auch zu verstehen, warum er beim Menschen nicht funktioniert. „Es scheint, dass das EGR-Master-Gen und die stromabwärtigen Gene, die es“ einschaltet „und“ ausschaltet „, auch bei anderen Arten, einschließlich Menschen, vorhanden sind“, sagt Gerke.

„Wir hatten einen Grund, dieses Gen Hofstenia miamia – EGR zu nennen. Wenn man sich die Sequenz anschaut, sieht es auch aus wie ein Gen, das zuvor bei Menschen und anderen Tieren untersucht wurde, sagt Srivastava. „Wenn Sie menschliche Zellen in eine Petrischale geben und sie unter Stress setzen, egal ob mechanisch oder toxisch, werden sie die EGR ausdrücken.“

Shrivastava zufolge lautet die Frage: „Wenn wir Menschen die EGR„ einschalten “können und nicht nur„ einschalten “, sondern genau dann„ einschalten “, wenn unsere Zellen beschädigt sind, warum regenerieren wir uns nicht?“. Eine der wahrscheinlichen Antworten: Wenn es sich bei der AGR um einen „Schalter“ handelt, ist möglicherweise etwas anderes „verkabelt“. Die Bindung der AGR in menschlichen Zellen kann von der Bindung in Hofstenia miamia abweichen. Dank der Arbeit von Andrew Gerke wurde ein Weg gefunden, um zu dieser „Verkabelung“ zu gelangen. Wissenschaftler möchten diese Zusammenhänge herausfinden und sie dann auf andere Tiere anwenden, einschließlich Wirbeltiere mit eingeschränkter Regeneration.

In Zukunft hoffen Srivastava und Gerke herauszufinden, ob die genetischen „Schalter“, die während der Regeneration aktiviert werden, mit denen identisch sind, die während des Wachstums und der Entwicklung funktionieren. Die Wissenschaftler wollen auch weiterhin daran arbeiten, die Dynamik des Genoms besser zu verstehen.

„Jetzt wissen wir, dass diese“ Schalter „für die Regeneration benötigt werden. Wir untersuchen, welche“ Schalter „am Entwicklungsprozess beteiligt sind und ob sie nicht gleich sind“, sagt Srivastava. „Sind das die gleichen Mechanismen, die im Entwicklungsprozess funktionieren, oder andere?“

Die Gruppe arbeitet auch daran, die genauen Wege zu verstehen, auf denen die AGR und andere Gene den Regenerationsprozess sowohl bei Hofstenia miamia als auch bei anderen Arten aktivieren. Laut Wissenschaftlern ist diese Studie wichtig, um nicht nur diese bestimmte Region, sondern auch das gesamte Genom als Ganzes zu verstehen – sowohl nicht-kodierende als auch kodierende Teile der DNA.

„Nur 2% des Genoms produzieren Proteine“, sagt Gerke. – Wir möchten wissen, was die anderen 98% des Genoms während der vollständigen Regeneration des Körpers tun? Es ist bekannt, dass viele Veränderungen in Bereichen nicht-kodierender DNA auftreten, die Krankheiten hervorrufen. Der Wert nicht-kodierender DNA bei Prozessen wie der vollständigen Regeneration wird jedoch unterschätzt. “

„Ich denke, das ist nur die Spitze des Eisbergs. Wir haben einige der „Schalter“ untersucht, aber es gibt andere Fragen, wie sich das Genom in größerem Maßstab verhält, nicht nur wie sich seine Teile öffnen und schließen. All dies ist wichtig für den Prozess des „Einschaltens“ und „Ausschaltens“ von Genen. Ich nehme an, dass es mehrere Ebenen der Regulation gibt. „

„Wenn man sich die natürliche Welt ansieht, stellt sich eine natürliche Frage: Wenn ein Gecko das kann, warum kann ich das nicht? – Srivastava sagt. – Es gibt viele Arten, die sich regenerieren können, und andere, die dies nicht können. Vergleicht man jedoch die Genome aller Tiere – die meisten Gene, die wir haben, hat auch Hofstenia miamia. Wir glauben, dass sich die wahrscheinliche Antwort auf diese Frage nicht darauf bezieht, ob wir bestimmte Gene gefunden haben, sondern darauf, wie sie miteinander zusammenhängen, und die Antwort kann nur durch Entschlüsselung eines Teils des Genoms erhalten werden. „

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