Von der Architektur zersplitterter Genome

„Wir beginnen gerade erst zu verstehen, wie durch Mutationen im nicht-kodierenden Bereich der DNA Erkrankungen entstehen“, sagt der Genetiker Stefan Mundlos, Leiter der Forschungsgruppe Entwicklung & Krankheit am Max-Planck-Institut für Molekulare Genetik (MPIMG) und Direktor des Instituts für Medizinische Genetik und Humangenetik an der Charité – Universitätsmedizin Berlin. „Diese Studie hilft uns zu verstehen, wie wichtig nicht-kodierende DNA sein kann und wie genomische Umlagerungen Krankheiten verursachen können.“

Rätselhafte dunkle Materie

Vor mehr als 20 Jahren behandelte Mundlos eine Patientin mit einer leichten geistigen Behinderung. Verglichen mit heute waren die Techniken, mit denen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler einen Blick in das menschliche Genom werfen konnten, zwar noch rudimentär. Aber selbst mit der altmodischen Karyotyp-Analyse konnte Mundlos erkennen, dass einige der Chromosomen der Patientin eine höchst ungewöhnliche Anzahl von Anomalien aufwiesen – und doch lebte sie. Eine Probe mit Zellen der Frau wurde zu Forschungszwecken in flüssigem Stickstoff tiefgefroren.

Dieser ungewöhnliche Fall blieb Mundlos lange in Erinnerung. 2019 beschlossen Mundlos sowie die Postdocs Robert Schöpflin und Uirá Souto Melo am MPIMG, das Erbgut mit neuen genomischen Werkzeugen genauer unter die Lupe zu nehmen.

Das Wissen über die Zusammenhänge zwischen Genen und Krankheiten war zwischenzeitlich gewachsen. Noch zehn Jahre zuvor glaubte man beispielsweise, dass nur Mutationen in Protein-kodierenden Genen Krankheiten verursachen. Solche kodierenden Gene machen aber nur zwei Prozent des menschlichen Genoms aus, weshalb die restlichen 98 Prozent als „Junk-DNA“ bezeichnet wurden.

Mit den Fortschritten in der Sequenzierungstechnologie wurde jedoch zunehmend klar, dass auch nicht-kodierende Anteile des Erbgutes von entscheidender Bedeutung sind. “Bestimmte Abschnitte tragen zur Steuerung der Genexpression bei und Mutationen in diesen Regionen können zu Krankheiten führen”, sagt Melo. Angesichts der Tatsache, wie wenig über die nicht-kodierende DNA bekannt ist, wird sie mitunter auch als „dunkle Materie“ der DNA bezeichnet.

“Bei bestimmten Krankheiten könnte die Funktionen dieser „dunklen Materie“ gestört sein”, sagt Melo. Weil keine offensichtlichen Fehler in den kodierenden Regionen zu erkennen seien, erhielten nur 40 Prozent der Betroffenen mit genetischen Erkrankungen jemals eine Diagnose. „Wir sind überzeugt, dass ein großer Teil dieser Mutationen in den nicht-kodierenden Regionen liegt“, sagt der Forscher. „Es gibt keine andere Erklärung dafür, außer wir haben etwas sehr Grundlegendes in der Biologie übersehen.“

Zerrüttetes Erbgut

Im Jahr 2011 wurde erstmals bekannt, dass das Erbgut manchmal in einem katastrophalen Ereignis – einer Chromothripsis – in Stücke zerbrechen kann. Die Reparaturmechanismen der Zelle versuchen in so einem Fall, die Fragmente wieder zusammenzusetzen. Doch wenn es zu viele Bruchstücke gibt, weicht das Ergebnis mitunter beträchtlich vom Original ab. Fehlt nachher zu viel Wichtiges, stirbt die Zelle ab. Passiert der Pfusch jedoch in einer nicht-kodierenden Region, kann der Organismus überleben. Manchmal geht es den Betroffenen trotz der DNA-Schäden gut, in anderen Fällen entwickeln sie genetisch bedingte Krankheiten.

Betroffene mit extremen Chromosomenumlagerungen in allen Zellen sind selten. Laut Melo gibt es weltweit nur wenige Fälle, die eine Chromothripsis aufweisen und überlebt haben. Mundlos' Patientin vor zwanzig Jahren war eine davon und ihre DNA wurde so zu einer wertvollen Ressource für das Team, das die Geheimnisse der nicht-kodierenden DNA erforschen wollte.

Zelluläres Origami

Das Team überlegte, wie sich das ungewöhnliche Genom analysieren lassen könnte. Die immensen technischen Fortschritte in der Genomsequenzierung kamen ihnen dabei zuteil, genauso wie neue Erkenntnisse darüber, wie der fast zwei Meter lange Erbgutfaden in den nur einen zwanzigstel Millimeter messenden Zellkern passt.

Demnach werden Abschnitte der DNA jeweils präzise zu dreidimensionalen Strukturen gefaltet, den topologisch assoziierenden Domänen (TADs). Diese Komplexe aus Genen und regulatorischen Elementen ordnen sich zu dreidimensionalen, charakteristischen Formen an, wie es ihre Nukleotidsequenz vorgibt.

Um die 3D-Strukturen dieser TADs zu erfassen, nutzten Melo und seine Kolleginnen und Kollegen eine Methode namens „Hi-C“ und Genomsequenzierung. Anschließend konnten sie die Struktur der DNA der Betroffenen mit hoher Auflösung rekonstruieren. „Wir waren überrascht, mit diesen Methoden so viele bisher unbekannte Umlagerungen  entdecken zu können“, sagt Melo. „Die betroffenen Personen hatten durchschnittlich 28 verschiedene genomische Umlagerungen.“

Analyse weiterer Proben

Anschließend nahm das Forschungsteam Kontakt zu anderen Genetikerinnen und Genetikern auf, die möglicherweise Betroffene mit Chromothripsis kannten. Das Team erhielt schließlich Proben von elf Patientinnen und Patienten. Zehn von ihnen hatten eine geistige Behinderung, während eine Person keine auffällige Störung hatte. Einige waren bereits verstorben, hatten aber zuvor eingewilligt, dass ihre Zellen für Forschungszwecke verwendet werden.

Das Forschungsteam fand heraus, dass sich die meisten der Anomalien in den Chromosomen in den inaktiven Teilen des Genoms befanden. Dies sei möglicherweise der Grund, weshalb diese Personen überlebt hätten, sagt Melo. Wären die Mutationen in einer aktiven Region aufgetreten, wären sie wahrscheinlich tödlich gewesen, oder die Betroffenen hätten an noch schwerer wiegenden Störungen gelitten.

Aber wenn die Abweichungen in inaktiven Regionen lagen, warum hatten dann viele der Patienten eine geistige Behinderung? Wie das Team aus Forscherinnen und Forschern herausfand, hatte sich die Form der TADs verändert, was sich wiederum auf die Aktivität von Genen in der Nähe auswirken kann. Je näher ein Gen an der Chromosomenbruchstelle lag, desto größer war die Wahrscheinlichkeit, dass es tatsächlich betroffen war.

„Diese Studie ist beispielhaft für das Potenzial neuer Sequenzierungstechnologien in Kombination mit fortschrittlichen Computeralgorithmen, um seltene genetische Krankheiten und die Organisation unseres Erbgutes im Zellkern zu verstehen“, sagt Martin Vingron, Direktor am MPIMG, der die bioinformatischen Analysen für die Studie leitete.

Bei der Chromothripsis gebe es so viele Brüche in den Chromosomen, dass es schwierig zu sagen sei, welcher davon zu der beobachteten Störung geführt hat, sagt Vingron. Aber dank verbesserter Methoden werde bald mehr Licht in die dunklen Regionen unserer Gene gebracht: „Die Techniken, mit denen wir jeden Teil der DNA sequenzieren können, haben sich erst in den letzten zwei, drei Jahren entwickelt. Im Moment beschreiten wir jeden Tag Neuland.“