Personalized - Personalisiert (auf Personen oder Personengruppen bezogen)​

Omics Technologien - Epigenomics

 

Epigenomics befasst sich mit epigenetischen Veränderungen im ganzen Genom einer Zelle. Epigenetische Veränderungen sind reversible chemische Veränderungen der genomischen DNA oder der Histone, die genomische DNA in Chromatin verpackt. Epigenetische Veränderungen haben weitreichende Konsequenzen für die Gene-Expression, ohne dabei die eigentliche DNA Sequenz zu verändern. Daher können solche Veränderungen mit Genomics Methoden nicht erkannt werden. 

 

Was sind die wesentlichsten Ergebnisse, die für Personalisierte Medizin relevant sind?

 

Eine “Krebs-Mutation” könnte niemals im Alleingang eine ganze Zelle in eine unkontrolliert wachsende Tumorzelle umwandeln. Das passiert in einem mehrstufigen Prozess, bei dem die Auslöser-Mutation zunächst entscheidende eigenetische Veränderungen induziert, die ganze Reihen von Genen an- oder abschalten. Es gibt zwei prinzipielle Arten von epigenetischen Veränderungen: aktivierende und hemmende. Der Tumor muss sowohl die Wachstumszyklen der Zelle aktivieren als auch im Gegenzug die Gene abschalten, die dem in einer gesunden Zelle entgegenwirken. Die häufigste epigenetische Veränderung, die heute analysiert wird, ist die DNA Methylierung. Dabei wird an einer Cytosine Base (C) eine Methylgruppe angehängt, was bei gehäuften Auftreten normalerweise zur Abschaltung der betroffenen Gene führt. Histon Modifikationen sind nicht weniger wichtig, aber technisch erheblich aufwändiger in der Bestimmung. Sie zeigen dafür in einem wesentlich feineren Raster sowohl Gen-Aktivierungen als auch Gen-Inaktivierungen an. 

 

Welche medizinischen Proben werden benötigt, um die zugehörige experimentelle Analyse auszuführen?

 

Wir haben alle (mehr oder weniger) dasselbe Genom in allen Körperzellen. Allerdings hat fast jede Zelle, zumindest aber jedes Gewebe ein eigenes Epigenom. Daher wird man aus einer Blutprobe, z.B. eines Tumor.Patienten, nur dann verlässliche Aussagen bezüglich des Tumors ableiten können, wenn es gelingt die zirkulierenden Tumorzellen zu isolieren. Normalerweise basieren epigenomische Analysen auf Biopsien.

 

 

Abb. 15 Epigenetik kontrolliert die Transcription: 

Histon H3 ist ein Teil eines Octamers aus Histonen, die ein Nukleosom bilden, um das die genomische DNA herumgewickelt ist. K4 und K27 sind Lysin Aminosäuren an den entsprechenden Positionen im Histon H3, der Gen-Promoter ist das zentrale Steuerelement eines Gens/Transkriptes und wird epigenetisch ein- oder ausgeschaltet. Genomische DNA ist blau dargestellt, RNA grün-gelb.

 

Welche grundsätzliche Technologie steckt hinter der entsprechenden -omics Anwendung?

 

DNA Methylierung erfasst man üblicherweise über eine Variante des Next Generation Sequencings (NGS). Dabei werden methylierte C-Basen chemisch so modifiziert, dass sie in der anschließenden Sequnzierung als Ts gelesen werden. Wo immer man dann anstelle eines C im Referenzgenom ein T in der Probensequenz liest, befand sich ein methyliertes C. Histone Veränderungen sind schwieriger zu entdecken. Man verwendet hierzu einen Methode, die Chromatine-Immuno-Precipitation Sequencing heißt, abgekürzt ChIP-seq. Spezielle Antikörper entdecken dabei jeweils genau eine spezifische Histon-Veränderung und lassen sich dazu verwenden, kurze DNA Stücke (in Chromatinform) mit diesen veränderten Histonen herauszuziehen, die dann per NGS sequenziert werden. Aber das muss man für jede Histon Veränderung einzeln machen.

 

Was sind die wahrscheinlichsten nächsten Entwicklungen und wie verbessern sie die Personalisierte Medizin?

 

DNA Methylierung kann man heute schon direkt messen, ohne das aufwändige Bisulfite Verfahren. Das erfolgt im sogeannten Nanopore-Sequencing, bei dem die Basen an charakteristischen Veränderungen des elektrischen Widerstands erkannt werden, während sie durch die Pore gleiten. Methylierte Cs erzeugen eine andere Veränderung als nicht-methylierte Cs, woran man sie erkennen kann. Es kann mit Fug und Recht angenommen werden, dass sich auch hinsichtlich anderer epigenetischer Veränderungen die Technologien so weiterentwickeln werden, dass es in Zukunft keinen wesentlichen Mehraufwand bedeuten wird, das Epigenom genauso wie das Genom zu lesen. Wenn das eintritt, werden epigenetische Analysen mindestens so wichtig wie genetische, wenn nicht wichtiger. 

 

Was kommt als nächstes?

 

Nächste Woche kommt das Gebiet der Transcriptomics dran. Das ist der Bereich, in dem die eigentliche Steuerung der Transcription genomischer DNA in RNA erfolgt. Das ganze steht natürlich unter der Kontrolle der Epigenetik und der Genetik. 

info@m4.de