Überblick über die Epigenetik

Was ist Epigenetik?

Epigenetik beschäftigt sich mit reversiblen genetischen Veränderungen im Genom, die mit der Genexpression verbunden sind. Dies dient als ein Mittel zur Genkontrolle, das unabhängig von Modifikationen der Gensequenz funktioniert.

Diese Steuerungsprozesse können durch Methylierung, Histonanpassungen, chromosomale Rekonfiguration und die Überwachung von nicht-codierender RNA umgesetzt werden. Diese Mechanismen beeinflussen hauptsächlich die Eigenschaften und Funktionen von Genen, indem sie deren Transkriptions- oder Übersetzungsprozesse orchestrieren.

Durch die Nutzung dieser Methoden können Wissenschaftler das Ausmaß der Methylierung und der Chromatinmodifikationen auf genomischer Ebene kartieren und so epigenetische Variationen zwischen verschiedenen Zellkategorien, Gewebearten, Entwicklungsphasen und Krankheitszuständen aufdecken.

Epigenetische Sequenzierungstechniken

Im Bereich der molekularen Forschung war das Verständnis des dynamischen Zusammenspiels zwischen Genetik und der Regulation der Genexpression noch nie so entscheidend. Mehrere bahnbrechende Techniken sind entstanden, die jeweils Licht auf die komplexe Welt der epigenetisch Modifikationen. In diesem Artikel gehen wir auf drei prominente Methoden ein: ATAC-seq, m6A-seq und DNA-Methylierungssequenzierungstechniken, einschließlich WGBS, RRBS und TBS.

• ATAC-seq: Enthüllung der Chromatinzugänglichkeit
  Eine bahnbrechende Innovation, das Assay für transposase-zugängliche Chromatin unter Verwendung von Sequenzierung (ATAC-seq), entwickelt von Prof. William Greenleaf an der Stanford University im Jahr 2013, stellt einen bedeutenden Fortschritt im Studium der Chromatinzugänglichkeit dar. Durch die synergistische Verbindung von DNA-Transposasen und Hochdurchsatz-Sequenzierungstechnologie, ATAC-seq ermöglicht die Untersuchung der Chromosomenzugänglichkeit. Durch den strategischen Einsatz von Transposasen werden spezifische Regionen der nukleären Chromatin an definierten räumlichen und zeitlichen Ebenen aufgeschnitten. Dieser beispiellose Zugang enthüllt die regulatorischen Sequenzen, die aktive Transkripte im Genom auf der entsprechenden räumlich-zeitlichen Ebene steuern.
  Bitte lesen Sie unseren Artikel. ATAC-Seq – Eine Methode zur Untersuchung von offenem Chromatin für weitere Informationen.
• m6A-seq: Entschlüsselung der RNA-Methylierungsdynamik
  N6-Methyladenosin (m6A), eine verbreitete Methylierungsmodifikation innerhalb eukaryotischer mRNA-Sequenzen, hat einen erheblichen Einfluss auf das eukaryotische Transkriptom. m6A-seq erläutert diese komplexe Dynamik, indem sie ihre funktionale Rolle bei der mRNA-Spleißung, Nukleation, Lokalisation, Translation und Stabilisierung umreißt. Mit dem Einfluss von m6A-RNA auf wesentliche zelluläre Prozesse hallt ihre Wirkung über die Stammzell-Differenzierung, Biorhythmen und das Spektrum von Krankheiten, die Tumore, Fettleibigkeit und Unfruchtbarkeit umfassen, wider.
• WGBS: Genomweite DNA-Methylierungskartierung
  Whole-Genome-Bisulfid-Sequenzierung (WGBS) stellt einen leistungsstarken Weg dar, um umfassende Methylierungsinformationen über CpG-Inseln und Nicht-CpG-Inseln zu gewinnen. Durch die Untersuchung von Methylierungsvariationen über verschiedene Proben hinweg entdecken Forscher die entscheidende Rolle der DNA-Methylierung bei der Genregulation und dem Auftreten von Krankheiten. Bemerkenswert ist die hochauflösende und hochgenaue genomweite Abdeckung von WGBS, die den Forschern wertvolle Daten liefert. Dennoch stellen die kostenintensive Natur und die komplexe Datenanalysepipeline Herausforderungen dar, insbesondere bei Vorhaben mit großen Stichprobengrößen und umfangreichen Datensätzen.
  Lesen Sie unseren Artikel Prinzipien und Arbeitsablauf der Whole Genome Bisulfite-Sequenzierung.
• RRBS: Präzise Methylierungssequenzierung
  Reduzierte Repräsentation Bisulfid-Sequenzierung (RRBS) hebt sich als effektiver Ansatz hervor, der speziell für die Methylierungssequenzierung in CpG-reichen Genomsektoren entwickelt wurde. Diese Methode reichert CCGG-reiche Fragmente durch Restriktionsenzymverdau an, gefolgt von einer Methylierungssequenzierung mit Einzelbasenauflösung mittels Bisulfidbehandlung und Hochdurchsatz-Sequenzierungstechnologie. Im Gegensatz zu WGBS, RRBS bietet eine kosteneffektive Lösung mit erheblich reduziertem Sequenzierungsvolumen, was es zu einer bevorzugten Option für großangelegte klinische Probenuntersuchungen macht.
  Bitte beziehen Sie sich auf Eine Einführung in die reduzierte Repräsentations-Bisulfid-Sequenzierung (RRBS).
• Gezielte Bisulfid-Sequenzierung: Gezielte epigenetische Einblicke
  Gezielte Bisulfid-Sequenzierung (TBS) nutzt Sulfit-Multiplex-PCR-Capture und NGS-Hochdurchsatz-Sequenzierung als grundlegende Technologie. Entwickelt, um eine selektive Reihe von Genen oder CpG-Stellen zu detektieren, bietet TBS bemerkenswerte Genauigkeit, hohe Durchsatzrate und Kosteneffizienz. Die schnelle Zykluszeit erhöht zusätzlich seinen Nutzen, insbesondere bei der Screening, Validierung und klinischen Übersetzung von multi-lokus Methylierungs-Biomarkern mit klinischen Proben.
• hMeDIP-Seq
  hMeDIP-Seq (hydroxymethylierte DNA-Immunpräzipitation gefolgt von Sequenzierung) ist eine molekularbiologische Technik, die verwendet wird, um die Verteilung von 5-Hydroxymethylcytosin (5hmC) Modifikationen in genomischer DNA zu untersuchen. 5hmC ist eine epigenetische Modifikation, die eine entscheidende Rolle in verschiedenen biologischen Prozessen spielt, einschließlich der Regulierung der Genexpression, der zellulären Differenzierung und der Entwicklung. hMeDIP-Seq baut auf den Prinzipien von MeDIP-Seq (Methylierte DNA-Immunpräzipitation gefolgt von Sequenzierung) auf, einer Methode, die verwendet wird, um 5-Methylcytosin (5mC) Modifikationen zu untersuchen.

Anwendungen der epigenetischen Sequenzierung

• Entwicklungsbiologie Enthüllt
  Die epigenetische Erforschung hat die entscheidenden Beiträge von Histonmodifikationen im Bereich der embryonalen Entwicklung und Organogenese aufgedeckt. Das Eintauchen in Veränderungen der Histonmodifikationen beleuchtet die molekularen Feinheiten, die den embryonalen Prozessen zugrunde liegen, einschließlich der Differenzierung von Stammzellen und der Bestimmung des Zellschicksals.
• Erleuchtende Krankheitsforschung
  Im Bereich der Krankheitsforschung rücken Histonmodifikationen als bedeutende Akteure bei der Entstehung und dem Fortschreiten verschiedener Erkrankungen in den Fokus. Abnormale Histonmodifikationen, die Unregelmäßigkeiten in der Acetylierung, Methylierung und Ubiquitinierung umfassen, stehen in engem Zusammenhang mit dem Auftreten und der Progression bestimmter Krebsarten. Die Untersuchung dieser Anomalien eröffnet neue Einblicke in die Identifizierung neuartiger Tumormarker und bietet somit innovative Ansätze für die frühzeitige Erkennung und Behandlung von Krebs.
• Pionierhafte Arzneimittelentwicklung
  Der Bereich der Arzneimittelentwicklung wurde durch die Nutzung von Histonmodifikationen als modulatorische Ziele revolutioniert. Besonders hervorzuheben sind Medikamente, die darauf abzielen, Histonmodifikationen zu beeinflussen, und die ihren Platz in der Behandlung verschiedener Krankheiten gefunden haben. Ein herausragendes Beispiel ist die Anwendung von Histon-Deacetylase-Inhibitoren, die umfassend im Kampf gegen Krebs und neurodegenerative Erkrankungen eingesetzt werden. Ebenso zeigen Methylase-Inhibitoren Wirksamkeit bei der Behandlung spezifischer Leukämien. Das Studium der Histonmodifikationen und die Suche nach ungenutzten Modifikationszielen stehen bereit, um neue Konzepte in der Arzneimittelentwicklung zu beleben.
• Enthüllung evolutionärer Erkenntnisse:
  Die Bedeutung der epigenetischen Vererbung im großen Gefüge der Evolution tritt durch die Analyse von Histonmodifikationen in verschiedenen Arten zutage. Durch den Vergleich von Histonmodifikationsmustern in unterschiedlichen Organismen gewinnen wir ein tieferes Verständnis für die Unterschiede zwischen den Arten und die Auswirkungen dieser Unterschiede auf die Anpassungen an ihre Umgebungen sowie auf die übergreifenden evolutionären Entwicklungen.