Meister des Designs

Die Entschlüsselung des genetischen Mechanismus der Hox-Gene steht vor dem Durchbruch.

University of Columbia / Zuckerman-Institute

Hox-Gene sind die Baumeister aller Lebewesen. Sie entscheiden wie der Körper eines Menschen oder eines Insekts aufgebaut sein soll, welche Glieder an welcher Stelle wachsen. Jede Art besitzt einen unterschiedlichen Anteil dieser regulatorischen Gene. Der Mensch besitzt 39 Hox-Gene. Sie setzen die Ordnung entlang der Körperlängenachse, auch bekannt als kranio-kaudale-Achse, fest, ordnen und leiten Wachstum und Entwicklung.

Ihr Aufgabengebiet ist unglaublich komplex. Die Architekten funktionierender Körper sind steinalte Gene und kommen auch bei primitivsten Lebensformen vor. Wenn die Wissenschaft ihre Mechanismen entschlüsseln sollte, könnte das auch die Entdeckung neuer beteiligter Prozesse bei Krankheiten bedeuten. Beim Menschen regulieren Hox-Gene auch die Ausbildung der Form von Brust-, Lenden- und Halswirbel und Rippen. Der zugrunde liegende genetische Mechanismus konnte bislang nicht abschließend erklärt werden.

Eine internationale Forschergruppe aus Wissenschaftlern des Zuckermann Instituts und des spanischen Nationalen Forschungsrats hat eine Methode entwickelt, mit der womöglich aufschlussreiche Einblicke in Schlüsselprozesse der Hox-Gene ermöglicht werden können. Die Ergebnisse wurden im Fachmagazin Nature Communications veröffentlicht.

Bei der Untersuchung genetischer Aktivitäten einer Fruchtfliege stießen die Forscher auf ein besonderes Merkmal eines regulatorischen DNA-Abschnitts. Zwar sind die Aufgaben und Funktionen der zur regulativen Familie gehörenden Hox-Gene weitgehend erforscht, jedoch ließen sich einzelne Gene bislang kaum isolieren und über einen gewissen Zeitraum hinweg beobachten, so Dr. James Castelli-Gair vom Centro Andaluz de Biología del Desarrollo von der Universität Pablo de Olavide.

Dies sei vor allem der Tatsache geschuldet, dass Hox-Gene ein breites Feld an Entwicklungsprozessen steuerten. Ihre Studie war mehr oder weniger ein Glücksfall.

Ein Computeralgorithmus mit dem Namen No Read Left behind, der von einer Forschergruppe um den Wissenschaftler Dr. Mann (Professor für Biochemie und Molekulare Biophysik) entwickelt wurde, ist in der Lage, Anbindungen von Transkriptionsfaktoren (spezielle Proteine) an einen DNA-Abschnitt zu erkennen. Der Algorithmus leistet das auch an besonders schwachen Bindungsstellen.

In einer Durchführung konzentrierten sich die Forscher auf die Hox-Transkriptionsfaktoren und Hox-Cofaktoren, die an den DNA-Abschnitt vvI1 + 2 binden.
So konnten die Forscher feststellen, dass der in allen Zellen der Fruchtfliege vorhandene regulatorische DNA-Abschnitt vvI1 + 2 von allen acht Hox-Genen der Fruchtfliege reguliert wird. Die Verbindung dieser in allen Zellen der Fliege vorkommenden Gens mit der Regulation des Hox-Gens, ermöglichte die Untersuchung einer ganzen „Hox-Familie“, wie die Forscher es bezeichneten. Im nächsten Schritt könne man eine Methode entwickeln, mit der sich vvI1 + 2- Aktivitäten manipulieren lassen.

Auf diese Weise könne man wahrscheinlich beobachten, wie jedes Hox-Gen funktioniert, so Dr. Carlos Sánchez-Higueras. Den Forschern gelang mittels biochemischer und rechengestützter Analysen und genetischer Manipulation, die präzise Beeinflussung der Hox-Zielaktivitäten. Die Forscher sprechen in ihrem richtungsweisenden Fortschritt von einer „genauen Straßenkarte“ der Hox-Bindungsstellen an vvI1 + 2- Gen-Abschnitte, angewendet an einer Fruchtfliege.