Das Rezept für eine Fruchtfliege

Wissenschaftler bestimmen die absolute Kopienzahl von Kernproteinen und Histonmarkierungen in einem Fruchtfliegenembryo

17. Oktober 2019

Mittlerweile kennt man viele der Proteine, die für den Aufbau eines multizellulären Organismus erforderlich sind. Jedoch ist weitgehend unklar, wie viele Kopien jeder Proteinart vorhanden sind und benötigt werden, damit sich ein vollständiger Organismus entwickeln kann. Forscher am Max-Planck-Institut für Biochemie haben mit Hilfe der Massenspektrometrie die absolute Kopienzahl verschiedener Kernproteine und Histonmarkierungen in Fruchtfliegen bestimmt. Diese Informationen helfen unserem Verständnis, wie die verschiedenen Proteine zusammenwirken, um den Aufbau einer Fruchtfliege zu steuern.

Molekulare Markierungen und Proteine (rot) beeinflussen die Genaktivität. Die Mengenangabe, ähnlich wie bei einem Kuchenrezept, hilft zu verstehen, wie viele verschiedene Proteine für die Entwicklung eines Organismus benötigt werden.

Fruchtfliegen und Menschen haben vieles gemeinsam, etwa 60 Prozent der Fliegengene kommen beim Menschen in ähnlicher Form vor. Durch die Forschung am Fruchtfliegenmodell wurden viele Erkenntnisse über grundlegende Mechanismen gewonnen. Die Ergebnisse dieser Studien haben wichtige Hinweise darauf gegeben, wie diese Mechanismen auch in Säugetieren oder Menschen funktionieren. In der aktuellen Studie untersuchte Jürg Müller vom Max-Planck-Institut für Biochemie zusammen mit den Forschergruppen von Axel Imhof an der Ludwig-Maximilians-Universität in München und Michiel Vermeulen an der Radboud University in Nimwegen das Proteinset, welches die Entwicklung einer Fliege steuert. Sie bestimmten die absolute Kopienzahl von Proteinen und chemischen Markierungen auf Histonproteinen im Zellkern in Fruchtfliegenembryonen.

Im Zellkern ist die DNA um sogenannte Histonproteine gewickelt, auch bekannt als Chromatin. Die gesamte Information in der genomische DNA die bestimmt, wie sich eine befruchtete Eizelle zu einem Organismus entwickelt, ist somit in Chromatin verpackt. Jürg Müller, Leiter der Forschungsgruppe "Biologie des Chromatins", erklärt: "Im Gegensatz zum Menschen können wir mit Modellsystemen wie der Fruchtfliege diesen Prozess nicht nur beschreiben, sondern auch untersuchen, wie er bei genetisch veränderten Tieren abläuft. Die Organisation des Chromatins verändert sich dramatisch während der Entwicklung. Wir wollten deshalb verstehen, ob und wie sich die Menge verschiedener Chromatinproteine und der chemischen Markierungen auf Histonen in den kritischen Phasen der Entwicklung verändert."

Anzahl der Genkopien in einer Zelle

Die Forscher ermittelten die Kopienzahl von fast 4000 Proteinen und chemischen Markierungen an Histonproteinen in zwei verschiedenen Stadien der embryonalen Entwicklung. Jacques Bonnet, der Erstautor der Studie, sagt: "Man kann das Wissen, dass wir über die Mengen der einzelnen Proteinarten gewonnen haben, mit dem Wissen vergleichen, welches zum Backen eines Kuchens benötigt wird. Zu wissen, dass man Eier, Zucker, Mehl, Butter, Rosinen und Backpulver hinzufügen muss, ergibt für sich allein noch kein Rezept - man muss die genaue Menge jeder Zutat kennen, um den Kuchen zu backen. Genauso ist es, wenn wir den Prozess der Embryonenentwicklung verstehen wollen: Wir müssen wissen, wie viele Kopien eines Proteins in einer Embryonalzelle vorhanden sind." Jürg Müller ergänzt: "Interessanterweise haben wir festgestellt, dass anders als vermutet viele Proteine in weit geringerer Kopienzahl vorhanden sind, während andere Proteine bedeutend häufiger vorkommen. Diese Beobachtungen sind wichtig für unser Verständnis wie die genomische DNA im Chromatin verpackt ist und reguliert wird, und einige unserer derzeitigen Sichtweisen müssen revidiert werden."

FA

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