Medizinische Zellkernarchitektur-Diagnose in Reichweite

Ein neues Verfahren, das die Untersuchung des dreidimensionalen Aufbaus von Krebsgenomen ermöglicht, könnte zur Entwicklung personalisierter Behandlungsstrategien beitragen

29. November 2018

Forscher des münsterschen Max-Planck-Instituts für molekulare Biomedizin und der Medizinischen Fakultät der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster haben ein Verfahren entwickelt, das die Charakterisierung des dreidimensionalen Aufbaus der DNA im Zellkern direkt in Zellen von Patienten erlaubt. Die Forschungen, veröffentlicht in der Online-Ausgabe der Fachzeitschrift Nature Communications vom 29. November 2018, werden zunächst Krankheitsdiagnosen und in der Zukunft auch therapeutische Eingriffe erleichtern.

Jede Zelle des menschlichen Körpers enthält ein rund zwei Meter langes DNA-Molekül, in dem alle genetischen Informationen verschlüsselt sind. Dieses Molekül muss in einem nur wenige Mikrometer großen Zellkern „verpackt“ sein. Bekannt ist, dass die Organisationsweise der DNA im Zellkern für die normale Entwicklung und Funktion der Zelle sehr wichtig ist, da Mutationen in den Mechanismen, die diesen Prozess steuern, zu Entwicklungsstörungen oder Erkrankungen wie Krebs führen. Der genaue Zusammenhang zwischen der Genomorganisation und der Krankheit ist derzeit jedoch noch ungeklärt. Bislang fehlte es Wissenschaftlern an einer Möglichkeit, den dreidimensionalen Aufbau des Genoms in kranken Zellen eingehend zu untersuchen.

Darstellung der 3D Struktur des Genoms in Krebs- (über der Diagonale) und gesunden B-Zellen (unter der Diagonale). Bekannte Krebs-assoziierte Gene sind rot hervorgehoben.

In neuen Forschungen haben Wissenschaftler nun eine Machbarkeitsstudie angestellt, die beweist, dass das 3D-Genom direkt in erkrankten Zellen von Patienten untersucht werden kann. Das neue Verfahren namens „Low-C“ dient der Vermessung der dreidimensionalen Genomarchitektur. Durch kleinere Verbesserungen konnten Wissenschaftler die Menge an biologischem Material verringern, die als Voraussetzung für die Experimente entnommen werden muss. Dadurch war es möglich, die räumliche Architektur des Genoms eines diffusen großzelligen B-Zell-Lymphoms zu bestimmen. „Dass wir nun in der Lage sind, die Genomarchitektur derjenigen Zellen zu untersuchen, die Krankheiten verursachen, ist eine spannende Sache. Derzeit wissen wir nämlich noch nicht, wie sich das 3D-Genom in diesen Zellen verändert“, erläutert die Postdoktorandin Dr. Noelia Díaz aus dem Labor Vaquerizas, die den experimentellen Teil des Projekts leitete.

Anschließend unterzogen die Forscher die vorhandenen Daten einer fortgeschrittenen computergestützten Analyse – mit einigen unerwarteten Ergebnissen. Zunächst entdeckten sie Neuanordnungen des Genoms, d. h. Veränderungen in der normalen Sequenz des menschlichen Erbguts, welche ein wesentliches Merkmal vieler Krebsarten darstellen. Außerdem spürten sie neue und bekannte, für die Krankheit charakteristische Translokationen auf, die dann im Experiment validiert wurden. „Wir waren erleichtert, dass sich unsere rechnerischen Voraussagen im Experiment bestätigten“, so Dr. Kai Kruse. Der Postdoktorand aus dem Labor Vaquerizas führte die computergestützte Datenanalyse durch.

Fortschritte in der Untersuchung von Krebszellen

Doch die Daten hielten noch weitere Überraschungen bereit. Als die Wissenschaftler die feinen topologischen Chromatinbereiche (kurze Genomabschnitte, die in kompakte, wollknäuelartige Knoten gefaltet sind) untersuchten, stellten sie fest, dass bei kranken Zellen neue topologische Bereiche gerade in solchen Regionen vorhanden waren, in denen bei gesunden Zellen normalerweise keine solchen Bereiche existieren. „Das war ein überraschender Fund, denn die 3D-Architektur voll entwickelter Zellen galt bisher als weitgehend unveränderlich“, kommentiert Dr. Juanma Vaquerizas, der als Forschungsgruppenleiter am Max-Planck-Institut für molekulare Biomedizin in Münster das Projekt beaufsichtigte. „Wir konnten beobachten, dass diese neuen strukturellen Bereiche in Regionen mit Genen auftreten, die bekanntermaßen im Zusammenhang mit Krebs und anderen Erkrankungen stehen. Welche Funktion diese neuen Bereiche haben, wissen wir aber noch nicht“, so Vaquerizas weiter.

Die Wissenschaftler wollen nun ihre Untersuchungen auf weitere Proben ausweiten. So sollen die Auswirkungen von Veränderungen in der dreidimensionalen Genomstruktur auf Krankheiten ermittelt werden. Anwendung sollen diese Informationen letztlich in der Entwicklung personalisierter patientenspezifischer Behandlungsmethoden finden.

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