Überblick
Die Epigenomik ist die genomweite Untersuchung epigenetischer Modifikationen — chemischer Veränderungen an DNA und Chromatin, die die Genexpression regulieren, ohne die zugrundeliegende DNA-Sequenz zu verändern. Zu diesen Modifikationen gehören DNA-Methylierung an CpG-Dinukleotiden, posttranslationale Histonmodifikationen (wie Acetylierung, Methylierung und Phosphorylierung) sowie Chromatinzugänglichkeitsmuster. Epigenomkarten variieren zwischen Zelltypen, Entwicklungsstadien und Krankheitszuständen und liefern eine dynamische Informationsebene, die das statische Genom ergänzt. Großangelegte Projekte wie die ENCODE- und Roadmap-Epigenomics-Konsortien haben umfassende epigenomische Atlanten für Hunderte menschlicher Zelltypen erstellt.
Methoden
Die epigenomische Profilerstellung stützt sich auf Techniken, die für die Hochdurchsatz-Sequenzierung angepasst wurden. Die Whole-Genome-Bisulfit-Sequenzierung (WGBS) wandelt unmethylierte Cytosine in Uracil um und ermöglicht so Methylierungskarten mit Einzelbasenauflösung. Die ChIP-seq verwendet Antikörper zur Immunpräzipitation spezifischer Histonmodifikationen oder Transkriptionsfaktor-Bindungsregionen, gefolgt von Sequenzierung. ATAC-seq und DNase-seq kartieren offene Chromatinregionen zur Identifizierung aktiver regulatorischer Elemente. Hi-C und verwandte Methoden erfassen die dreidimensionale Chromatin-Konformation. Bioinformatik-Pipelines verarbeiten Rohdaten durch Alignment, Peak-Calling (mit MACS2 oder PeakDene) und differentielle Anreicherungsanalyse. Die integrative Analyse mehrerer epigenomischer Spuren deckt Chromatinkompartimente auf — wie aktive Promotoren, Enhancer und reprimierte Regionen — mithilfe von Werkzeugen wie ChromHMM.
Anwendungen
Die Epigenomik hat unser Verständnis von Entwicklung, Altern und Krankheit grundlegend verändert. Abnorme DNA-Methylierungsmuster sind Kennzeichen von Krebs, wobei die Stilllegung von Tumorsuppressorgenen durch Promotor-Hypermethylierung inzwischen ein therapeutisches Ziel darstellt. Die epigenomische Profilerstellung leitet die Entdeckung von Enhancern und anderen regulatorischen Elementen, die in der Genregulation und Epigenetik untersucht werden. Die Technik ist eng mit der Chromatin-Immunpräzipitation (ChIP) verwandt, jedoch auf das gesamte Genom skaliert. Die Epigenomik zeigt auch, wie die zeitliche Steuerung der DNA-Replikation mit dem Chromatinkompartiment korreliert und wie Umwelteinflüsse bleibende epigenetische Spuren hinterlassen, die die Gesundheitsergebnisse über die gesamte Lebensspanne beeinflussen.
