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LMU-Forschende entschlüsseln physikalische Prinzipien hinter der komplexen Genregulation.
Die Entwicklung eines Embryos gehört zu den fundamentalsten Prozessen der Biologie. Dabei entscheidet sich früh, welche Zellen sich zu welchen Geweben entwickeln – gesteuert durch epigenetische Markierungen wie die DNA-Methylierung. Forschende der LMU zeigen nun, dass hinter diesem hochkomplexen Prozess überraschend physikalische Gesetzmäßigkeiten stehen.
Ein interdisziplinäres Team um Professor Dr. Steffen Rulands konnte erstmals nachweisen, dass sich die Muster der DNA-Methylierung im frühen Embryo durch universelle dynamische Regeln beschreiben lassen. Rulands forscht an der Fakultät für Physik der LMU und ist Mitglied in den Exzellenzclustern Origins und BioSysteM. Seine Ergebnisse verbinden moderne Genomforschung mit Konzepten der statistischen Physik. „Unsere Arbeit zeigt, dass physikalische Prinzipien eine zentrale Rolle bei der Organisation des embryonalen Genoms spielen“, sagt Rulands. „Damit eröffnen sich völlig neue Möglichkeiten, komplexe biologische Prozesse mit Methoden der Physik zu verstehen.“
Einfache Regeln statt komplexer Netzwerke
Zum Hintergrund: Die Identität von Zellen entsteht durch ein fein abgestimmtes Zusammenspiel zahlreicher biochemischer Prozesse. Chemische Modifikationen an der DNA und an Histonen legen fest, welche Gene aktiv sind – und welche abgeschaltet werden. Bislang galt dieses Zusammenspiel als äußerst komplex und nur schwer in allgemeine Prinzipien zu fassen.
Die neue Studie zeigt, dass sich hinter diesen komplexen biologischen Prozessen universelle physikalische Muster verbergen. Im Zentrum steht eine dynamische Rückkopplung: Enzyme, die DNA-Methylierungen erzeugen, verändern gleichzeitig die räumliche Struktur des Chromatins – und diese Struktur beeinflusst wiederum, wo weitere Methylierungen stattfinden. Auf diese Weise entstehen nanoskalige Strukturen, die sich durch Phasentrennung bilden, also durch einen physikalischen Prozess, bei dem sich unterschiedliche Zustände im Zellkern voneinander abgrenzen und stabile Domänen ausbilden.
Kombination modernster Methoden
Um diese Prozesse zu entschlüsseln, kombinierten die Forschenden Einzelzell-Multiomics, hochauflösende Mikroskopie und theoretische Modelle aus der Nichtgleichgewichtsphysik. Datengrundlage waren umfangreiche Messreihen zur DNA-Methylierung in Zellkulturen und im Maus-Embryo.
Dabei zeigte sich, dass die DNA-Methylierung im frühen Embryo einem selbstähnlichen Skalierungsverhalten folgt: Die Muster wiederholen sich über verschiedene Größenordnungen hinweg und lassen sich mit wenigen grundlegenden Gesetzmäßigkeiten beschreiben. Gleichzeitig laufen diese Prozesse erstaunlich unabhängig vom jeweiligen Kontext im Genom ab: Sowohl in aktiven als auch in inaktiven Bereichen greifen dieselben Prinzipien. Entscheidend ist, dass physikalische Effekte wie die Verdichtung des Chromatins und die Wechselwirkung der beteiligten Enzyme die Dynamik maßgeblich bestimmen. Besonders aufschlussreich war, dass sich epigenetische Veränderungen bestimmter Gene bereits ein bis zwei Tage vor deren tatsächlicher Stilllegung nachweisen lassen – ein Hinweis darauf, dass diese Prozesse die spätere Genaktivität aktiv vorbereiten.
Die Ergebnisse liefern neue mechanistische Erklärungen für einen zentralen Schritt der Embryonalentwicklung: den Übergang von zunächst identischen Zellen hin zu unterschiedlichen Zelltypen. Dieser sogenannte Symmetriebruch ist die Grundlage für die Ausbildung komplexer Gewebe und Organe.
„Besonders spannend ist, dass wir aus linearen DNA-Sequenzdaten auf räumliche und zeitliche Prozesse im Zellkern schließen können. Das erlaubt uns, die Selbstorganisation des Genoms direkt zu beobachten und theoretisch zu beschreiben“, sagt Rulands.
Bedeutung für Medizin und Biologie
Langfristig könnten die Erkenntnisse dazu beitragen, Entwicklungsprozesse besser zu verstehen, etwa bei der Differenzierung von Stammzellen oder bei der Entstehung von Krankheiten, die mit epigenetischen Veränderungen einhergehen. Insbesondere die frühe Vorhersagbarkeit von Genstilllegungen (Gene Silencing) eröffnet neue Perspektiven für die regenerative Medizin und die Krebsforschung.
Die Studie zeigt aber auch, wie eng Biologie und Physik miteinander verknüpft sind: Selbst hochkomplexe Prozesse des Lebens folgen oft universellen Gesetzmäßigkeiten, die sich mit den Werkzeugen der Physik beschreiben lassen.
Prof. Dr. Steffen Rulands
Statistische und Biologische Physik
Fakultät für Physik
+49 (0)89 2180-4514
rulands@lmu.de
https://www.theorie.physik.uni-muenchen.de/lsfrey/members/group_leaders/steffen_...
Olmeda F., Lohoff T., Kafetzopoulos I. et al.: Scaling and self-similarity in the formation of the embryonic epigenome. Nature Physics 2026
https://www.nature.com/articles/s41567-026-03263-x
Criteria of this press release:
Journalists
Biology, Physics / astronomy
transregional, national
Research results
German
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