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Epigenetik ist die Lehre von chemischen Modifikationen, die die transkriptionelle Aktivität des Genoms beeinflussen können. Ohne eine Veränderung der DNA-Sequenz reichen epigenetische Modifikationen wie DNA-Methylierung, Histon-Acetylierung und Histon-Methylierung im Wesentlichen aus, um die Muster der Genexpression reversibel zu verändern 1. Die DNA-Methylierung, ein potenter Regulator der Genexpression, ist die am besten charakterisierte epigenetische Modifikation. DNA-Methylierung ist die kovalente Bindung von Methylgruppen an die C5-Position eines Cytosinsins, typischerweise das Cytosin eines Cytosin-Guanin-Dinukleotids, auch bekannt als CpG-Stelle. Gebiete, die eine hohe Dichte an CpG-Standorten aufweisen, werden als CpG-Inseln (CGIs) bezeichnet. CGIs sind häufig mit transkriptionellen Startstellen (TSS) und Genpromotoren 1-3 assoziiert. Während also Veränderungen der DNA-Methylierung an CGIs nicht immer mit Veränderungen der zellulären Expression oder Funktion einhergehen, können Änderungen der DNA-Methylierung an CGIs eine starke Regulation der Transkriptionsaktivität ausüben 2.
Historisch wurde beobachtet, dass die DNA-Methylierung für die Embryogenese, Prägung und Entwicklung essentiell ist, mit geringen Veränderungen im Ausmaß der DNA-Methylierung, die in postmitotischen Zellen auftreten (mit Ausnahme von Veränderungen in krebsbedingten Genen) 4,5. Das Gebiet der Neuroepigenetik hat jedoch eine wichtige nicht-entwicklungsbezogene Rolle für die DNA-Methylierung hervorgehoben. Insbesondere hat die kognitive Epigenetik die DNA-Methylierung als einen hochplastischen Mechanismus neu definiert, der sowohl die transkriptionelle Aktivierung als auch die Repression von Genen vermittelt, die für den Lern- und Gedächtnisprozess essentiell sind 6. Neben der kognitiven Epigenetik charakterisieren Studien, die ischämische Verletzungen und neuropathische Schmerzen modellieren, die DNA-Methylierung als einen labilen Mechanismus, der schnell auf eine Vielzahl von ZNS-Beleidigungen reagiert 7-9. In Bezug auf Astrozyten deuten mehrere Beweise darauf hin, dass die DNA-Methylierung eine wichtige Rolle bei der Astrogliogenese spielt. Fan et al. fanden heraus, dass die bedingte KO von DNMT1 in neuralen Vorläuferzellen (NPCs) zu einer frühreifen Entwicklung von Astrozyten führte, die mit einem globalen Zustand der Hypomethylierung übereinstimmt 10. Darüber hinaus kamen Perisic et al. zu dem Schluss, dass unterschiedliche Expressionsniveaus des GLT-1-Promotors unterschiedliche Expressionsniveaus des Glutamattransporters im Kortex und Kleinhirn vermitteln, was eine Rolle bei der DNA-Methylierung bei der Etablierung von hirnregionenspezifischen Mustern der astrozytären Genexpression unterstreicht 11. Insgesamt unterstreichen zahlreiche Studien die dynamische und labile Natur der DNA-Methylierung im ZNS, da gezeigt wurde, dass Umwelt, Medikamente und Verletzungen die DNA-Methylierung und oft auch die Genexpression verändern 4,9. Zusammengenommen deuten diese neuroepigenetischen Studien darauf hin, dass die DNA-Methylierung ein praktikables therapeutisches Ziel ist, das das Potenzial hat, eine Vielzahl von ZNS-Pathologien zu lindern.
Während das Gebiet der Epigenetik sein Verständnis der Rolle der DNA-Methylierung bei der Neuroentwicklung und Krankheit erweitert, besteht die Herausforderung bei der Verlagerung der DNA-Methylierung in Richtung eines therapeutischen Ziels nicht nur darin, korrelative, sondern auch ursächliche Studien durchzuführen, die spezifische Genziele und -stellen definieren. Darüber hinaus bleibt die Untersuchung von Veränderungen der DNA-Methylierung, die für die Gehirnregion und den Zelltyp spezifisch sind, eine fortlaufende und zeitlose Herausforderung, die nur auf dem Gebiet der Neuroepigenetik zu finden ist. Dieses Protokoll verwendet eine Vielzahl von Techniken, darunter die fluoreszenzaktivierte Zellsortierung (FACS) von Astrozyten, die methylierungsempfindliche hochauflösende Schmelzanalyse (MS-HRM) und einen Methylierungs-Luciferase-Assay, um den DNA-Methylierungsstatus von KCNJ10 zu untersuchen, einem Gen, das für Kir4.1 kodiert. Kir4.1 ist ein glialspezifischer Kaliumkanal, der sowohl hirnregionen- als auch zellspezifische Expressionsmuster im ZNS 12-16 zeigt. Die Kir4.1-Expression nimmt zu, wenn sie sich von rostralen zu kaudalen ZNS-Regionen bewegt, wobei die höchste Expression im Rückenmark auftritt 15. Obwohl der Kanal in Ependymzellen, Oligodendrozyten und deren Vorläuferzellen exprimiert wird, wird Kir4.1 überwiegend in Astrozyten exprimiert und es wird angenommen, dass es für die Aufrechterhaltung des homöostatischen Kaliumspiegels sowie für die Unterstützung der Glutamataufnahme unerlässlich ist, indem das Potential der astrozytären Ruhemembran auf ein hyperpolarisiertes -80mV eingestellt wird 12,16-19. Wichtig ist, dass die Expression von Kir4.1 sowohl während der Entwicklung als auch nach mehreren Formen der ZNS-Verletzung nicht statisch ist 20-25. Wir wollten die epigenetische Regulation dieses Kanals untersuchen, insbesondere in Astrozyten während der Entwicklung. Die verwendeten Techniken bieten genspezifische und gezielte CpG-Standortanalysen, die kausale Beweise für eine Rolle der DNA-Methylierung bei der Regulation der KCNJ10-Genexpression liefern. Diese Techniken können auf andere Gene angewendet werden.