Identifizierung von zelltypspezifischen regulatorischen Knotenpunkten mit Mehrfachinteraktionen während der Wirbeltierentwicklung
Allgemeine Genetik und funktionelle Genomforschung
Bioinformatik und Theoretische Biologie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Genetische Information ist in einem DNA-Protein-Komplex organisiert, dem sogenannten Chromatin, das im Zellkern jeder Zelle hochgradig dreidimensional (3D) strukturiert ist. Die lokale und weiträumige Chromatinarchitektur, oft als Epigenom bezeichnet, steuert maßgeblich die dynamische Genexpression im Verlauf der Entwicklung, bei Erkrankungen sowie in Reaktion auf Umweltveränderungen. Zwar gibt es etablierte genomische Methoden zur Erfassung der Chromatinstruktur und 3D-Organisation, aber ein tieferes Verständnis der regulatorischen Dynamik in Geweben, die aus mehreren Zelltypen bestehen, wurde größtenteils durch das Fehlen geeigneter Werkzeuge eingeschränkt, um zelltypspezifisches Material in ausreichenden Mengen zu isolieren. Die Einführung Einzelzell-aufgelöster RNA- und Chromatinanalysen mittels Hochdurchsatz-Sequenzierung ermöglicht inzwischen die in silico-Rekonstruktion von Zellzuständen in komplexen Geweben und verbessert unser Verständnis von Chromatin- und Genexpressionsdynamik. Wir haben modernste Einzelzell-Genomikverfahren eingesetzt, um Genregulationsnetzwerke während der Segmentierung von Zebrafisch-Embryonen und nach dem Verlust eines zentralen Entwicklungsfaktors eingehend zu analysieren. Die Untersuchung der 3D-Genomorganisation mit zelltypspezifischer Auflösung in nativen Geweben blieb bislang jedoch eine große Herausforderung. Um diese Lücke zu schließen, haben wir Epigenome-C (Epi-C) entwickelt, eine multimodale Long-Read-Sequenziermethode, der gleichzeitig die 3D-Genomorganisation, die Zugänglichkeit des Chromatins und die DNA-Methylierung innerhalb einzelner DNA-Moleküle erfasst. Wir konnten zeigen, dass Epi-C hochgradig reproduzierbar ist und für alle drei Modalitäten Signale liefert, die mit bestehenden Einzelverfahren vergleichbar sind. Epi-C-Moleküle bieten eine umfassende Abdeckung spärlicher genomischer Annotationen und ermöglichen die Entschlüsselung von allel- und zelltypspezifischen regulatorischen Dynamiken in nativen, heterogenen Geweben. Mithilfe eines einzigartigen Features der Nanopore-Sequenzierung – dem sogenannten adaptiven Sampling – können Epi-C-Moleküle gezielt angereichert werden, um bestimmte genomische Regionen mit höherer Auflösung darzustellen. Die aktuelle Implementierung von Epi-C ist als Ausgangspunkt gedacht: Das offene Design der Methode erlaubt kurzfristig die Erweiterung um eine vierte Modalität, die DNA-Protein-Bindung, mit Potenzial für weitere Erweiterungen, sobald zusätzliche Technologien für die Nanopore-Sequenzierung verfügbar sind. Wir erwarten eine breite Anwendung von Epi-C, da es keine Spezialausrüstung jenseits eines Nanopore-Sequenziergeräts erfordert und ein einzigartiges Potenzial besitzt, die Dynamik der Chromatinarchitektur und 3D-Genomorganisation in nativen Geweben verschiedenster Herkunft zu entschlüsseln. Epi-C wird damit entscheidend zum besseren Verständnis der Genregulation beitragen und vielfältige Forschungsbereiche der Lebenswissenschaften nachhaltig beeinflussen.
