evolutionärer Einblick in H2A.Zs Genregulationsfunktion

Die DNA liefert Anweisungen für Aufbau und Funktionsweise von Zellen, doch wirft sie zwei Fragen auf: Erstens mag die Tatsache, dass ein Zellkern die gesamte Länge der DNA aufnehmen kann, ohne sich zu verwickeln, überraschend erscheinen. Zweitens sind Gene komplex und haben oft konträre Funktionen. Um diese Probleme zu lösen, wickeln eukaryotische Organismen ihre DNA in kompakte Bündel um eine Gruppe von Proteinen, die Histone. Sie bilden so die Nukleosome. Gemeinsam regulieren die vier wichtigsten Histonfamilien H2A, H2B, H3 und H4 einerseits Replikation und Reparatur der DNA und andererseits die Transkription in RNA. Obwohl die Struktur der Nukleosome und ihrer Histone universell ist, enthalten eukaryotische Genome Dutzende von Kopien jeder Kern- Histonfamilie, die sich oft in ihrer Funktion unterscheiden. Seit fast 30 Jahren wird die Funktion dieser so genannten Histon-Varianten erforscht. Bis heute fehlt uns aber ein grundlegendes Verständnis dafür, warum es so viele Histon-Varianten gibt und welche evolutionären Kräfte für ihre Entstehung verantwortlich waren. In diesem Projekt untersuche ich die molekulare Evolution einer Histon-Variante, H2A.Z, um ihre Funktion bei der Regulierung des Genoms zu analysieren. Gene, die für H2A.Z kodieren, wurden in fast allen Eukaryoten gefunden. In diesen Fällen ist H2A.Z oft essenziell für das Überleben der Zelle. Darüber hinaus wurde H2A.Z in verschiedenen Organismen untersucht, wobei festgestellt wurde, dass H2A.Z die Genexpression sowohl erhöhen als auch verringern kann. Diese Dualität ist ungewöhnlich, und trotz jahrzehntelanger Arbeit bleibt die Funktion von H2A.Z ungeklärt. Eine zentrale Herausforderung bei der Untersuchung von Histon-Varianten ist die Komplexität der zellulären Systeme, die sie umgeben. Statt eines einzigen Gens, das für eine einzige Funktion kodiert, sind Histone multifunktional, was bedeutet, dass ihre Beeinträchtigung weitreichende Folgen in der gesamten Zelle hat. Um diese Schwierigkeit zu überwinden, habe ich ein experimentelles System in der Hefe Schizosaccharomyces pombe entwickelt, in das H2A.Z-Gene verschiedenster Organismen eingeführt wurden. So sind mehrere Hefe-Linien entstanden, die sich in ihrer Gentranskription stark unterscheiden. Anhand dieser Variationen werde ich beschreiben, welche Defekte oder veränderten Funktionen bei der Transkription bestehen. Dadurch kann ich feststellen (1) welche Eigenschaften von H2A.Z für seine Funktion bei der Transkription wichtig sind, und (2) welche interagierenden Moleküle diese Unterschiede bewirken könnten. Damit geht dieser Ansatz über die bisher verwendeten Methoden zur Untersuchung von Histon-Varianten hinaus. In weiterer Zukunft werden unsere Erkenntnisse ein Licht darauf werfen, wie Histone und Nukleosome zur Vielfalt des (multizellulären) Lebens führen.

In jeder eukaryotischen Zelle sind meterlange DNA-Stränge dicht gepackt, damit sie in den zentralen Kern der Zelle, den Zellkern, passen. Diese Verpackung dient nicht nur der Speicherung, sondern fungiert auch als ausgeklügeltes Regulierungssystem, das es den Zellen ermöglicht, auf die Anforderungen ihrer Umgebung zu reagieren, sei es während der Entwicklung oder als Reaktion auf äußeren Stress. Die DNA ist um Proteinkomplexe gewickelt, die als Nukleosomen bezeichnet werden und aus einer speziellen Klasse von Proteinen, den Histonen, bestehen. Während die meisten Nukleosomen eine ziemlich einheitliche Zusammensetzung haben, setzen Zellen spezielle Versionen, sogenannte Histonvarianten, für bestimmte Gene mit unterschiedlichen Funktionen ein. Eine der wichtigsten davon ist H2A.Z. Obwohl sie bereits vor 30 Jahren erstmals beschrieben wurde und für das Leben unverzichtbar ist, ist ihre Bedeutung für die Funktionsweise des Genoms weitgehend ungeklärt geblieben. Ziel dieser Arbeit war es, die molekularen Mechanismen zu bestimmen, die der Bedeutung von H2A.Z für die Regulierung von Zellen zugrunde liegen, insbesondere die Verbindung zwischen seiner Steuerung eines Prozesses namens Gentranskription und seinem Einfluss auf die Physiologie. Wir konzentrierten uns auf drei Aspekte seiner Funktion und untersuchten, wie seine Position im Genom sein Verhalten verändert, welche Teile seiner Struktur für seine einzigartigen Funktionen verantwortlich sind und welche Helferproteine in der Zelle H2A.Z erkennen, um Gene ein- oder auszuschalten. Um dies zu untersuchen, haben wir einen synthetisch-biologischen Ansatz gewählt. Wir haben H2A.Z-Sequenzen von Arten aus dem gesamten eukaryotischen Stammbaum entnommen und sie in einer lebenden Wirtszelle exprimiert. So konnten wir beobachten, wie verschiedene Versionen dieses Proteins in der Zelle funktionierten, und herausfinden, welche molekularen Ursachen für die Unterschiede in der Art und Weise, wie die Zelle ihre genetischen Anweisungen las, verantwortlich waren und wie sich diese Veränderungen auf die allgemeine Gesundheit und das Wachstum der Zelle auswirkten. Im Gegensatz zu langjährigen Modellen seiner Funktion haben wir entdeckt, dass H2A.Z nicht nur eine passive Struktur für die Verpackung von DNA ist. Stattdessen wirkt es wie ein physikalisches Signal innerhalb der Gene, das den für das Lesen der Gene verantwortlichen Mechanismus direkt anweist und ihm mitteilt, wie schnell oder langsam er arbeiten soll. Darüber hinaus haben wir eine neue Kontrollregion des Proteins identifiziert, eine weitgehend übersehene Schleifenregion, die für die Einstellung dieser Funktion entscheidend ist und die die Evolution wiederholt genutzt hat, um die Funktion von H2A.Z zu diversifizieren. Diese Arbeit beantwortet eine seit langem bestehende Frage im Bereich der Chromatinbiologie, nämlich wie Zellen ihre Gene regulieren. Darüber hinaus konnten wir dank der hier gewonnenen Erkenntnisse eine neue technologische Plattform schaffen. Durch das Verständnis, wie diese DNA-Spulen programmiert werden, können wir Zellen für den Einsatz in Medizin und Biotechnologie besser konstruieren und effizientere Verfahren zur Herstellung von Therapeutika oder nachhaltigen Materialien entwickeln.