Der Verpackungscode der DNA

Neue Forschung von Freiburger Bioinformatikern hilft, die Verpackung der DNA besser zu verstehen

Die DNA hat die Struktur einer sogenannten Doppelhelix und somit einen Aufbau, der einer gewundenen Strickleiter ähnelt. Komplett entwunden, besitzt sie eine Länge von etwa zwei Metern und enthält all unsere genetischen Informationen. Damit dieses riesige Molekül in jeden unserer mikroskopisch kleinen Zellkerne hineinpasst, muss sie gefaltet und hochverdichet verpackt werden. Es ist bekannt, dass Fehler in der DNA-Sequenz zu Krankheiten führen können. Wissenschaftler beginnen aber gerade erst zu verstehen, dass auch die Art und Weise der Verpackung der DNA Zellfunktionen und unsere Gesundheit beeinflussen kann. 

Entscheidend ist hierbei, dass in unseren Zellen gefaltete und komprimierte DNA nicht nur einfach eine große verknäulte Struktur bildet. Vielmehr ist verpackte DNA streng in Substrukturen und Regionen gruppiert. Obwohl die Funktionen dieser Regionen des Erbguts noch nicht vollständig verstanden sind, konnte bereits gezeigt werden, dass Veränderungen insbesondere der äußeren Grenzen dieser Substrukturen zu Störungen bei der Regulation der Gene und damit zu ernsthaften Erkrankungen führen können.

HiCExplorer – ein Softwaremikroskop für die DNA

Um besser zu verstehen, wie diese Bereiche gebildet werden, haben Wissenschaftler der Abteilung für Bioinformatik des Max-Planck-Instituts für Immunbiologie und Epigenetik in Freiburg (MPI-IE) eine leistungsstarke Software namens HiCExplorer entwickelt. Mit dieser gelingt es, die dreidimensionale Struktur des Erbguts in einer viel höheren Auflösung zu studieren. „Es ist im Prinzip so als hätte man ein stärkeres Mikroskop zur Verfügung. Mit unserer Software können wir in die Regionen hineinzoomen, die die verschiedenen Bereiche der DNA trennen und dabei kleinste DNA-Muster identifizieren,” erklärt Fidel Ramírez, Erstautor der Veröffentlichung. 

Mit ihren neuen Methoden konnte das Team nicht nur neue Sequenzsignale identifizieren, sondern auch potentielle Proteine, die solche Sequenzen erkennen und dabei helfen die äußeren Grenzen der Substrukturen zu bilden. Die Daten des Freiburger Forscherteams legen nahe, dass die DNA spezifische Informationen enthält, die die Struktur ihrer eigenen Verpackung steuern. „Unsere Ergebnisse deuten auf einen neuen dreidimensionalen Code hin, geschrieben im DNA-Alphabet, den wir gerade erst beginnen zu verstehen,” sagt Fidel Ramírez.

Alle Ergebnisse wurden in einem umfangreichen Datenarchiv mit großen Datensätzen für verschiedene Genome bereitgestellt: Chorogenome Navigator. Es ist frei zugänglich und ermöglicht die Visualisierung und das Durchsuchen von aufbereiteten Genomdatensätzen in hoher Auflösung. „Dies ist eindeutig nur der Anfang,“ sagt Thomas Manke, Leiter der Bioinformatik des MPI-IE, „aber unsere Tools und Daten werden Forschern helfen, Folgestudien durchzuführen und ein besseres Verständnis für die komplexen Informationen der DNA zu entwickeln, die diese organisieren und regulieren.