Zurücksetzen des epigenetischen Status des DM1-Locus

Myotonische Dystrophie Typ 1 ist eine genetisch bedingte Erkrankung, die weite Bereiche der Körperfunktion durch Muskelschwäche und Muskelschwund beeinträchtigt. Die Krankheit wird durch die wiederholte Expansion der drei Buchstaben CTG des DNA-Codes innerhalb des Gens Dystrophia myotonica Proteinkinase DMPK verursacht. Während gesunde Personen nur wenige CTG-Wiederholungen im DMPK-Gen haben, zeigen Patienten ab mehr als 50 dieser Wiederholungen Symptome. Eine größere Anzahl an CTG-Wiederholungen, die mehrere Tausend erreichen kann, ist typischerweise mit einem früheren Auftreten und einem schwereren Verlauf der Erkrankung verbunden. Auf molekularer Ebene beeinflussen diese CTG-Wiederholungen die Expression von für die Muskelfunktion wichtigen Genen. Darüber hinaus verursachen die CTG-Wiederholungen bei den betroffenen Genen auch Änderungen der Struktur des Chromatins, des engen Komplexes aus DNA und assoziierten Proteinen. Eine Modifikation, die bekanntermaßen die Chromatinstruktur beeinflusst, ist die Methylierung von DNA, die oft als eine epigenetische Markierung bezeichnet wird. Epigenetik ist das wissenschaftliche Gebiet, das vererbbare Veränderungen der Chromatinstruktur und der Genexpression in Abwesenheit von Mutationen der DNA -Sequenz untersucht. Unsere Kooperationspartnerin Dr. Rachel Eiges vom Shaare Zedek Medical Center in Jerusalem konnte zeigen, dass die CTG-Wiederholungen in bestimmten Regionen des DMPK-Gens zu einem Anstieg der DNA-Methylierung führen. Darüber hinaus entdeckte sie, dass die Entfernung der verursachenden CTG-Wiederholungen in embryonalen Stammzellen auch die epigenetischen Veränderungen am DMPK-Gen rückgängig macht. Im Gegensatz dazu bleiben in Muskelvorläuferzellen die epigenetischen Veränderungen bestehen, selbst wenn die sie auslösenden CTG-Wiederholungen entfernt werden. In einem gemeinsamen Projekt untersuchen wir nun die epigenetischen Mechanismen, die bei Entfernung der CTG-Wiederholungen zur Vererbung der DNA-Methylierung in Muskelvorläufern und zur Entfernung der Markierungen in embryonalen Stammzellen führen. Mein Labor trägt dazu unsere langjährige Erfahrung in der Chromatinbiologie und Epigenomik bei. Insbesondere werden wir Reporterzellen entwickeln, mit denen wir ihren epigenetischen Status überwachen können. Diese ermöglichen uns mithilfe von Screening-Verfahren chemische Substanzen und genetische Targets zu identifizieren, die an der Etablierung, der Aufrechterhaltung und der Entfernung von Chromatinmarkierungen am DMPK-Gen beteiligt sind. Das Projekt hat damit nicht nur das Potenzial, neue epigenetische Mechanismen aufzudecken, sondern auch neuen Erkenntnisse als Grundlagen für zukünftige therapeutische Ansätze beizutragen.

Das Projekt "Zurücksetzen des epigenetischen Status des DM1-Locus " wurde in enger Zusammenarbeit zwischen den Laboren von Rachel Eiges (Shaare Zedek Medical Center, Jerusalem, Israel) und Stefan Kubicek (CeMM Forschungszentrum für Molekulare Medizin der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, Wien, Österreich) durchgeführt. Dabei profitierte das Projekt von der kombinierten Expertise des Eiges Labors im Bereich der CTG-Repeat-Expansion bei myotoner Dystrophie Typ I und der Erfahrung des Kubicek Labors im Bereich der Epigenetik und und chemischen Biologie. Myotone Dystrophie Typ 1 (DM1) ist eine autosomal-dominant vererbte Erkrankung, die eine Vielzahl von Körpersystemen betrifft. Sie wird durch eine CTG-Repeat-Expansion (50 bis zu über 3,000 Tripletts) im 3'-UTR des DMPK Gens verursacht. Obwohl DM1 hauptsächlich durch RNA-/Protein-Gain-of-Function-Mechanismen verursacht wird, treten auch lokale Chromatinveränderungen am DMPK Lokus auf, darunter DNA-Hypermethylierung. Die molekularen Mechanismen der Entwicklung und die Kinetik der Chromatinveränderungen in Zellen von DM1-Patienten waren jedoch bisher nur unzureichend verstanden. Das Eiges Labor hatte einen interessanten, entwicklungsabhängig gesteuerten epigenetischen Mechanismus entdeckt, der Chromatinveränderungen am DM1-Lokus kontrolliert. Während die genetische Entfernung der krankheitsverursachenden Repeat-Expansionen in embryonalen Stammzellen zu einer vollständigen Rückbildung der aberranten Chromatinmodifikationen führte, reichte dieselbe Repeat-Exzision in differenzierten Myoblasten nicht aus, um diese Chromatinveränderungen rückgängig zu machen. Das Verständnis dieses Umschaltprozesses hat wichtige Implikationen für grundlegende Fragestellungen der epigenetischen Regulation und könnte langfristig auch zu verbesserten Therapieansätzen führen. Um Faktoren zu identifizieren, die diesen Übergang von reversibler zu irreversibler DNA-Methylierung steuern, entwickelten und implementierten wir verschiedene Testverfahren. Einerseits können wir damit Chromatinveränderungen direkt durch Messung der DNA-Methylierung mittels Sequenzierung zu feststellen, und andererseits indirekt die Chromatinstruktur sowie epigenetische Proteine in fluoreszenzbasierten Reporter-Assays analysieren. Dadurch konnten wir zur Entdeckung einer Rolle der de-novo-DNA-Methyltransferasen DNMT3A/B bei der Etablierung der aberranten DNA-Methylierung am DM1-Lokus beitragen. Darüber hinaus führten wir ein Hochdurchsatzscreening nach Verbindungen durch, die die Chromatinstruktur und die Lokalisierung chromatinmodifizierender Enzyme beeinflussen können. Wir planen, den molekularen Wirkmechanismus dieser Verbindungen in einem zukünftigen Folgeprojekt vollständig zu validieren und zu charakterisieren.