Funktionelle Analyse transponierbarer Elemente

Fast alle Zellen des menschlichen Körpers enthalten die gleiche DNA und damit die gleichen Gene. Dennoch sind sie in der Lage, unterschiedliche Strukturen und Funktionen zu entwickeln. Das liegt daran, dass nicht alle Gene in einer bestimmten Zelle "angeschaltet" oder "exprimiert" werden. Die Gene, die in jeder Zelle exprimiert werden, werden durch einen Prozess kontrolliert, der als "Genregulation" bezeichnet wird. Anweisungen, die bestimmen, wann, wo und wie stark ein Gen exprimiert wird, werden durch DNA-Sequenzen kodiert, die als cis-Elemente bezeichnet werden. Diese Sequenzen werden von Transkriptionsfaktor-Proteinen, eine Art An- und Ausschalter, erkannt und gebunden. Cis-Elemente und Gene sind in einer Struktur hoher Ordnung, dem "Chromatin", verpackt, die aus um Histonproteine gewickelter DNA besteht. Damit die Zellmaschinerie die Gene exprimieren kann, muss das Chromatin zunächst entfaltet werden. Die Faltung und Entfaltung des Chromatins ist mit der Anbringung chemischer epigenetischer Markierungen an bestimmten Stellen der DNA oder der Histone verbunden. Es wird angenommen, dass Kombinationen von epigenetischen Markierungen die Rolle der cis-Elemente beim An- und Ausschalten von Genen bestimmen. Diese epigenetischen Markierungen waren der Schwerpunkt mehrerer internationaler Forschungsprojekte wie z.B. die Encyclopedia of DNA Elements (ENCODE), die die epigenetischen Markierungen, die in verschiedenen Zelltypen vorkommen, mit Methoden wie der Chromatin-Immunpräzipitation mit anschließender Next-Generation Sequenzierung (ChIP- seq) katalogisiert hat. Auch wenn sich der Ansatz als fruchtbar erwiesen hat, ist die Analyse der durch ChIP-seq erzeugten Daten für sich wiederholende (repetitive) DNA-Sequenzen eine Herausforderung. Und leider bestehen etwa zwei Drittel der DNA in einer menschlichen Zelle aus solchen Sequenzen. Viele dieser Sequenzen sind "springende Gene" (transponierbare Elemente), d.h. DNA-Sequenzen, die sich bewegen ("springen") oder Kopien von sich selbst an eine andere Stelle der DNA einbringen können. Obwohl transponierbare Elemente einst als Müll abgeschrieben wurden, werden sie heute wegen ihrer funktionellen Rolle bei einer Vielzahl von biologischen Phänomenen geschätzt. Leider sind transponierbare Elemente aufgrund ihres repetitiven Charakters nicht für Standardwerkzeuge der Bioinformatik geeignet. Aus diesem Grund und trotz beträchtlicher Forschung in den letzten Jahren bleibt unser Wissen über transponierbare Elemente begrenzt. Durch die Entwicklung eines neuen bioinformatischen Ansatzes, der auf die Charakterisierung von Gruppen ähnlicher transponierbarer Elemente und nicht einzelner transponierbarer Elemente abzielt, soll dieses Projekt transponierbare Elemente mit regulatorischer Funktion identifizieren.

Transponierbare Elemente oder "springende Gene" sind mobile DNA-Stücke, die etwa die Hälfte des menschlichen Genoms ausmachen. Da sie sich im gesamten Genom selbst ausschneiden und einfügen oder kopieren und einfügen können, sind ihre Sequenzen repetitiv, was bedeutet, dass eine bestimmte Instanz eines transponierbaren Elements im Genom einer anderen Instanz sehr ähnlich ist. Daher können Sequenzierungsdaten, die von transponierbaren Elementen stammen, nicht eindeutig einer bestimmten Stelle im Genom zugeordnet werden. Transponierbare Elemente wurden früher als genomische "Parasiten" oder "Müll" betrachtet. Diese Ansicht wurde 1972 durch eine Publikation des japanisch-amerikanischen Genetikers und Evolutionsbiologen Susumu Ohno populär, in der er die These aufstellte, dass transponierbare Elemente möglicherweise nicht funktionell sind. Heute wissen wir, dass transponierbare Elemente das Potenzial haben, als Agenten der Evolution zu fungieren, indem sie das genetische Repertoire ihrer Wirte vergrößern, umgestalten und diversifizieren. RNA-seq und ChIP-seq sind zu wichtigen Tools für die Charakterisierung des Genoms geworden. RNA-seq ("RNA-Sequenzierung") ist eine groß angelegte Technik, mit der ein Blick ins Innere einer Zelle geworfen werden kann, um zu sehen, welche Gene ein- oder ausgeschaltet sind. In ähnlicher Weise hat sich ChIP-seq ("Chromatin Immunoprecipitation Sequencing") zu einer leistungsstarken, groß angelegten Technik entwickelt, um festzustellen, wo bestimmte Proteine an die DNA binden. DNA-bindende Proteine erfüllen eine Vielzahl wichtiger Funktionen, die für die Zelle unerlässlich sind. Besonders interessant sind die Interaktionen zwischen der DNA und den Histonproteinen, die für die Organisation und Verdichtung der DNA von grundlegender Bedeutung sind. Histone können chemisch verändert werden, und diese Veränderungen - die so genannten epigenetischen Veränderungen - wirken wie Tags, die der Zelle mitteilen, ob ein Gen an- oder abgeschaltet werden soll. Wenn wir also wissen, wo Histone in der DNA gebunden sind und wie sie verändert werden, können wir die Anweisungen entschlüsseln, die neben unseren Genen stehen. Mit der zunehmenden Verfügbarkeit groß angelegter Sequenzierungsverfahren stoßen immer mehr Wissenschaftler in ihren Daten auf Sequenzen transponierbarer Elemente. Unsere Forschung zeigt, dass der systematische Ausschluss von Daten aus sich wiederholenden genomischen Sequenzen - was normalerweise gemacht wird - Konsequenzen hat. So führt dies beispielsweise zu einer Unterrepräsentation kürzlich aktiver transposabler Elemente und zu einer Unterschätzung der Aktivität bestimmter Genfamilien mit sehr ähnlichen Genen, wie z. B. vielen, die an unserem Immunsystem beteiligt sind. Um dieses Problem zu beheben, haben wir ein computergestütztes Tool namens "Transposable Element Enrichment Estimator" (T3E) entwickelt. Anstatt sich auf einzelne Instanzen transponierbarer Elemente im Genom zu konzentrieren, gruppiert T3E verschiedene genomische Instanzen nach ihren Sequenzen, um der Mehrdeutigkeit der Datenherkunft Rechnung zu tragen. Wir setzen dieses Tool derzeit ein, um ein vollständigeres Bild unserer Genome zu erhalten. T3E ermöglicht eine umfassendere Analyse transponierbarer Elemente und öffnet damit die Tür zu einem tieferen Verständnis ihrer Rolle bei der Genregulation, der Evolution und der menschlichen Gesundheit.