Bakterielle DNA gleicht strukturell dem Erbgut aller lebenden Zellen

Mycoplasma pneumoniae, eine der kleinsten Bakterienarten und Ursache für zahllose Infektionserkrankungen bei Mensch und Tier, weist, wie jüngst festgestellt wurde, die gleiche genetische Struktur auf, die auch bei allen lebenden Zellen zu finden ist. Diese Entdeckung, die von EU-geförderten Forschern des Centre for Genomic Regulation (CRG) in Barcelona gemacht wurde, zeigt, dass Gene selbst bei kleinen Organismen in Gruppen angeordnet sind, die im Ganzen aktiviert und deaktiviert werden. Dieses neue Wissen könnte neue Arzneimittel und industrielle Verfahren eröffnen.

Mithilfe superauflösender Mikroskopie und einer Technik namens Hi-C konnten die Wissenschaftler – mit Unterstützung der drei EU-geförderten Projekte CELLDOCTOR, 4D-GENOME und MYCOSYNVAC – eine dreidimensionale „Karte“ erstellen, die darstellt, wie Mycoplasma-DNA angeordnet oder gruppiert ist. Ihre Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ veröffentlicht und belegen, dass Gene selbst bei den kleinsten Organismen in verschiedenen Bereichen gruppiert werden und dass Gene desselben Bereichs tendenziell gemeinsam aktiv sind.

„Wir hatten vermutet, dass das Genom bei Mycoplasma insgesamt ähnlich wie bei anderen Bakterien aufgebaut sein könnte, doch wir waren sehr überrascht, als wir feststellten, dass es auch bei Mycoplasma in Bereiche unterteilt ist“, sagte Marie Trussart, die leitende Autorin der wissenschaftlichen Arbeit. „Diese Forschung belegt, dass die Anordnung und Steuerung von Genen nicht verstanden werden kann, wenn lediglich die lineare DNA-Sequenz des Genoms untersucht wird.“

„Eine große technische Herausforderung“

Mycoplasma pneumoniae besitzt nur 680 Gene, erzeugt nur etwa 20 DNA-Bindeproteine, und seine Chromosomen sind fünfmal kleiner als die des größeren Bakteriums E. coli. Und, im Gegensatz zu den meisten Bakterien, weist es keine Zellwand auf, sodass es leicht kultiviert und genetisch manipuliert werden kann.

Aufgrund der Größe des Bakteriums handelte es sich bei dem Projekt mit fünfjähriger Laufzeit laut Trussart jedoch auch um „eine große technische Herausforderung“. Doch dank des Fachwissens der CRG-Forscher über Mycoplasma und Strukturgenomik konnte das von Prof. Luis Serrano geleitete Team das Hi-C-Verfahren anwenden, um die Interaktionen zwischen verschiedenen Teilen der DNA zu erkennen und feinere Muster innerhalb des winzigen Bakteriums zu untersuchen.

Universelle Struktur

Die Wissenschaftler stellten fest, dass das Mycoplasma-Chromosom in 44 Chromosom-Interaktionsbereiche unterteilt ist, die den Regionen ähneln, die in komplexeren Zellen zu finden sind. Die Gene innerhalb der Interaktionsbereiche wurden tendenziell gemeinsam reguliert, was darauf schließen lässt, dass sich der Aufbau des Chromosoms auf die Gentranskription auswirkt. Darüber hinaus stellten die Wissenschaftler fest, dass die Art und Weise, auf die die Bakterien ihre Chromosomen in der Supercoil-Kondensationsstufe verdichten, bei der Regulierung der Interaktionsbereiche eine Rolle spielen könnte.

Diese Erkenntnisse zeigen zusammen mit den Ergebnissen früherer Untersuchungen größerer Bakterien, dass Chromosomen in Zellen nicht zufällig angeordnet sind – und dass dieser Umstand für alle Lebensformen gültig ist. Chromosomen sind funktional und dynamisch angeordnet. Der einzige Unterschied besteht darin, dass sie sich bei Eukaryoten im Zellkern befinden und bei Bakterien in der Zelle.

Die unerwarteten Ergebnisse legen nahe, dass sich die Forschung nicht auf die langen Fäden aus genetischer Information beschränken darf, die wir als DNA-Stränge bezeichnen. „Um die Genregulierung im vollen Umfang zu durchschauen, müssen wir den räumlichen Aufbau des Chromatins untersuchen, das auch die Genaktivität steuert“, sagte Trussart.

Die Forschungsarbeiten wurden über das Siebte Forschungsrahmenprogramm der EU, durch den Europäischen Forschungsrat sowie über Horizont 2020, das Rahmenprogramm für Forschung und Innovation der EU, gefördert.

Weitere Informationen:
CELLDOCTOR-Projektwebsite bei CORDIS
4D-GENOME-Projektwebsite bei CORDIS
MYCOSYNVAC-Projektwebsite bei CORDIS