Genomweite Chromatinkarten

Wie bereits gesagt hängt der Zustand des Chromatins von verschiedenen Faktoren ab (siehe Chromatin und epigenetische Information). Dazu gehören die Positionen der Nukleosomen, das Muster der chemischen Histonmodifikationen und das Spektrum zusätzlich gebundener Proteine. Von diesen lassen sich die Histonmodifikation experimentell sehr einfach bestimmen und liefern oft bereits ein umfassendes Bild von den Eigenschaften einer Chromatindomäne. So ist die Methylierung an Position 4 des Histonproteins H3 generell mit aktiven Genen assoziiert. Dagegen ist die Methylierung an Position 27 Bestandteil eines Mechanismus, mit dessen Hilfe Gene, die nur in bestimmten Zelltypen oder zu einem bestimmten Zeitpunkt aktiv sein dürfen, in anderen Zellen stillgelegt werden.

Die Verteilung einzelner Histonmodifikationen kann heute mit vertretbarem technischem Aufwand über ein ganzes Genom hinweg bestimmt werden. Dazu werden Chromatinfragmente, die die gewünschte Histonmodifikation enthalten, aufgereinigt, und die darin vorkommende DNA wird mittels Hochdurchsatzsequenzierverfahren identifiziert. Aus den Ergebnissen der Sequenzierung lassen sich genomweite Karten erstellen, auf denen die Verteilung der jeweiligen Histonmodifikation verzeichnet ist. Auf diese Weise sind bereits epigenetische Profile verschiedener Zelltypen sowie auch von Zellen in unterschiedlichen Entwicklungsstadien oder unter dem Einfluß bestimmter äußerer Faktoren erstellt worden. Die Anwendung auf Krankheitsbilder beim Menschen hat bereits begonnen.

Mit denselben Methoden lassen sich auch epigenetische Profile von Spermien anfertigen. Spermien stellen einen hoch spezialisierten Zelltyp dar, dessen Aufgabe darin besteht, das väterliche Erbgut zur Eizelle zu transportieren und in diese einzuschleusen. In reifen Spermien findet keine Genexpression statt und das Chromatin besitzt einen äußerst kompakten Zustand. Dennoch besitzen Spermien ein informatives Epigenom. Beispielsweise beobachtet man die oben beschriebene Methylierung an Position 4 beziehungsweise Position 27 von Histon H3 an unterschiedlichen Gruppen von Genen. Diese Markierungen scheinen die betroffenen Gene auf ihre Rolle in der nachfolgenden Embryonalentwicklung vorzubereiten. Im Vergleich zwischen Mensch und Maus zeigen die epigenetischen Profile von Spermien überraschend viele Ähnlichkeiten. Es scheint sich also im Verlauf der Evolution als vorteilhaft erwiesen zu haben, zusätzlich zu der genetischen Information auch bestimmte epigenetische Informationen an die Nachkommen weiterzugeben.

Chromatinkarten

Gezeigt sind kleine Ausschnitte aus genomweiten Karten der Histonmodifikationen K4me3 und K27me3 (Trimethylierung von Position 4 bzw. 27 von Histon H3). Die ausgewählte Region beinhaltet das Gen Otx2, das nur in Nervenzellen und deren Vorläufern (neuralen Zellen) exprimiert wird. In undifferenzierten Stammzellen, in denen das Gen nicht exprimiert wird, kommen beide Markierungen in hoher Dichte vor. In neuralen Zellen ist die repressive K27me3-Markierung weitgehend verschwunden, und es bleibt allein die aktivierende K4me3-Markierung zurück. In Fibroblasten - Bindegewebszellen, in denen Otx2 nicht exprimiert wird - verhält es sich genau umgekehrt.