Ferngesteuert

Regulatorische Sequenzen im Genom können über weite Distanzen hinweg die Aktivität von Genen steuern. Dass Säugetiere auf diese sogenannte CREs zurückgreifen, war schon lange bekannt. Jetzt zeigen Wissenschaftler, dass Pflanzen ebenfalls davon Gebrauch machen.

Jede Zelle eines Organismus enthält das gleiche genetische Material und trotzdem unterscheiden sich einzelne Organe erheblich in Aussehen und Funktion. Das liegt daran, dass die Gene in jedem Organ anders abgelesen werden. Wann und wie häufig, darüber entscheiden sogenannte regulatorische Sequenzen im Erbgut, CRE genannt (cis-regulatory element).

Bei Säugetieren können diese CREs viele tausend Basenpaar von dem regulierten Gen entfernt liegen. Bei Pflanzen, so dachte man, müssten sie sich immer in der Nähe des Gens befinden. „Doch das ist ein Fehler, der darauf basiert, dass so viel Forschung an Arabidopsis thaliana durchgeführt wird, die ein sehr kleines Genom hat“, sagt Robert Schmitz, der an der Universität Georgia zu Pflanzengenetik forscht.

Großes Genom – viele CREs

Schmitz hat herausgefunden, dass auch bei Pflanzen CREs die Genaktivität steuern. Je größer ihr Genom, desto größer war die Distanz zwischen CREs und regulierten Genen. Die Forscher haben die Genome von 13 Pflanzen nach CREs durchsucht. Darunter waren die Modellpflanzen Arabidopsis thaliana und Brachypodium distachyon sowie agronomisch wichtige Pflanzen wie Sojabohne, Mais, Gerste und Reis. Insgesamt haben sie zehntausende mutmaßliche CREs identifiziert. „Wir waren ehrlich gesagt überrascht, dass es nicht noch mehr waren“, sagt Schmitz.

#####1#####

Vermutlich liegt das daran, dass die Wissenschaftler mit ihrer eingesetzten ATAC-seq-Methode („assay for transposase-accessible chromatin using sequencing“) die Genome von unterschiedlichen Geweben gleichzeitig analysierten. Allein in einem Blatt befinden sich schließlich zahlreiche unterschiedliche Zelltypen. „Wir haben vermutlich nur CREs gefunden, die in fast allen Zelltypen vorhanden sind und haben diejenigen im Grundrauschen übersehen, die nur in spezifischen Zelltypen zum Einsatz kommen“, erklärt Schmitz.  

Säugetier- und Pflanzen-CREs ähneln sich

Ihre Analysen zeigten auch, dass es zahlreiche Gemeinsamkeiten zwischen den CREs von Säugetieren und Pflanzen gibt. Beide haben einen hohen Gehalt an GC-Basenpaaren sowie übermäßig viele Sequenzen, an die regulatorische Proteine binden können. Die DNA in CREs ist zudem wenig methyliert und gut zugänglich für das Andocken von Proteinen.

Solche Stellen im Genom bezeichnen Forscher auch als ACR, kurz für accessible chromatin regions. Doch auch Unterschiede zwischen Säugetier- und Pflanzen-CREs wurden deutlich. Diese betreffen vor allem die Art und Weise der Modifikation von Histon-Proteinen, um die sich die DNA herumwindet.

Transposons als Grund für weit entfernte CREs

Das Genom der Maispflanze schauten sich die Forscher ausführlicher an. Dort fanden sie 32.111 ACRs, die ein regulatorisches Element enthalten könnten. Etwa ein Drittel davon befand sich mehr als 2.000 Basenpaare vom nächsten Gen entfernt. Um über solch eine große Distanz hinweg überhaupt das Gen berühren zu können, bildet die DNA Schlaufen aus.

Die Forscher führen auch einen Grund dafür an, wieso CREs sich überhaupt so weit weg von ihrem Zielgen befinden: Transposons. Vermutlich lagen alle CREs zu Beginn in der Nähe des Zielgens, wurden aber durch Transposons in weiter entfernte Bereiche verschoben.

Als nächstes plant Robert Schmitz, einzelne Zellen auf CREs hin zu untersuchen. „Das sollte uns dabei helfen, das eingangs erklärte Problem zu überwinden, dass CREs, die nur in bestimmten Zelltypen auftauchen bei der Analyse von Mischproben im Hintergrundrauschen untergehen.“