Chromosomen-Kopierfehler in der Embryonalentwicklung lokalisiert

Eine neue Entdeckung von Forschern des RIKEN-Zentrums für Biosystemdynamik (BDR) in Japan stellt jahrzehntelange Annahmen über die DNA-Replikation auf den Kopf. Die von Ichiro Hiratani und Kollegen geleiteten Experimente zeigen, dass die DNA-Replikation in frühen Embryonen anders abläuft als bisher angenommen und eine Phase der Instabilität umfasst, die anfällig für Chromosomen-Kopierfehler ist. Da Fehlgeburten und Entwicklungsstörungen oft mit Chromosomenanomalien zusammenhängen, könnten die Ergebnisse Auswirkungen auf den Bereich der Reproduktionsmedizin haben und möglicherweise zu verbesserten Methoden der In-vitro-Fertilisation (IVF) führen.

Chromosomen-Kopierfehler führen zu Fehlgeburten und Entwicklungsstörungen

Während der Embryogenese teilt sich die zunächst befruchtete Eizelle, ebenso wie jeder neue Satz von Tochterzellen. Am dritten Tag nach der Befruchtung hat ein Embryo drei Teilungen durchlaufen und enthält 16 Zellen. Jede Zellteilung wird von einer DNA-Replikation begleitet, wodurch sichergestellt wird, dass jede Tochterzelle eine Kopie des gesamten Genoms enthält. In ihrer neuen Studie machte es sich das Team von RIKEN-BDR-Forschern zur Aufgabe, die Natur des DNA-Replikationsprozesses in Embryonen im Frühstadium zu charakterisieren. Sie verwendeten ihre selbst entwickelte Einzelzell-Genomik-Technik namens scRepli-seq und wandten sie auf sich entwickelnde Mausembryonen an. Mit dieser Technologie konnte das Team Momentaufnahmen der DNA einzelner embryonaler Zellen zu verschiedenen Zeitpunkten während der DNA-Replikationsperioden erstellen. Was sie herausfanden, widersprach den Annahmen der Wissenschaftler über die DNA-Replikation in Embryonen.

„Wir haben während der frühen Embryogenese der Maus mehrere spezialisierte Arten der DNA-Replikation gefunden, die noch niemand zuvor gesehen hat“, sagt Hiratani. “Außerdem haben wir festgestellt, dass die genomische DNA an bestimmten Punkten vorübergehend instabil ist und die Chromosomenaberrationen erhöht sind.“ In Lehrbüchern steht, dass die DNA nicht auf einmal repliziert wird. Stattdessen werden verschiedene Regionen eines Chromosoms in einer bestimmten Reihenfolge dupliziert. Die erste Entdeckung des Teams bestand darin, dass die in reifen Zellen beobachteten Replikations-Timing-Domänen erst existieren, wenn ein Embryo vier Zellen hat. Das bedeutet, dass die DNA im Gegensatz zu allen anderen Zellen in einem späteren Körper in 1- und 2-Zell-Embryonen gleichmäßig und nicht sequenziell repliziert wird.

Jedes Mal, wenn sich ein Teil eines Chromosoms zur Replikation abwickelt, werden DNA-Regionen entpackt und bilden eine Struktur, die wie eine Weggabelung aussieht. Damit die Replikation fortgesetzt werden kann, muss sich die Gabelung den DNA-Strang entlang bewegen, wobei kopierte Bereiche erneut entpackt und der nächste Abschnitt entpackt wird. Die zweite Entdeckung des Teams bestand darin, dass die Geschwindigkeit der Gabelung in den Stadien mit 1, 2 und 4 Zellen viel langsamer ist als nach dem Stadium mit 8 Zellen der Embryogenese. Der 4-Zellen-Embryo kann nun als Übergangsstadium betrachtet werden, in dem die gleichmäßige DNA-Replikation sequenziell wird, während immer noch die für 1- und 2-Zellen-Embryonen charakteristische langsame Gabelbewegung zu beobachten ist. Im Gegensatz dazu ähneln 8-Zellen-Embryonen viel eher reifen Zellen, da sie eine sequenzielle Replikation und eine schnelle Gabelbewegung aufweisen.

Bessere Strategien zur Minimierung von Chromosomenanomalien kurz nach der Befruchtung

Fehler bei der DNA-Replikation in den ersten Tagen nach der Befruchtung führen häufig zu Chromosomenunregelmäßigkeiten, wie z. B. zusätzliche Kopien, fehlende Kopien, Brüche in Kopien oder unvollständige Kopien. Einige dieser Kopierfehler führen zu Fehlgeburten, während andere zu Entwicklungsstörungen wie dem Down-Syndrom, auch bekannt als Trisomie 21, führen. Die dritte Entdeckung des Teams war, dass die Häufigkeit von Chromosomen-Kopierfehlern bei Embryonen im Frühstadium vorübergehend erhöht war, am häufigsten im 4-Zell-Stadium.

Die Forscher verwendeten erneut scRepli-seq, diesmal zur Erkennung von Anomalien der Chromosomenkopienzahl. Sie stellten fest, dass beim Übergang zwischen dem 1- und 2-Zellstadium oder zwischen dem 8- und 16-Zellstadium nur sehr wenige Fehler auftraten. Andererseits wiesen 13% der Zellen während des Übergangs zwischen dem 4- und 8-Zell-Stadium Chromosomenanomalien auf, was wahrscheinlich auf Kopierfehler während des 4-Zell-Stadiums zurückzuführen ist.

Weitere Tests deuteten darauf hin, dass die Kopierfehler in diesem Stadium mit den sich langsam bewegenden Gabeln zusammenhängen.„Unsere Ergebnisse werfen viele neue Fragen auf“, sagt Hiratani. ‚Zum Beispiel, ob diese Reihe von Phänomenen in anderen Arten, einschließlich menschlicher Embryonen, evolutionär konserviert ist. Und was ist das weitere Schicksal von Zellen mit Chromosomenanomalien?‘ Diese Entdeckung könnte nicht nur die Grundlagenforschung in Zukunft leiten, sondern auch Befruchtungskliniken dabei helfen, bessere Strategien zur Minimierung der Chromosomenanomalien zu entwickeln, die in den ersten Tagen nach der Befruchtung häufig auftreten.