Übergeordnete Chromosomenstruktur heterochromatischer Gene

Heterochromatische Genrepression ist essentiell für die Entwicklung vieler höherer Organismen und wird durch epigenetische Mechanismen von Zelle zu Zelle weitervererbt. Fehler in der Struktur oder Funktion von Heterochromatin äussern sich besonders deutlich in Erbkrankheiten. Ein Beispiel sind Laminopathien, welche durch Mutationen im Laminprotein ausgelöst werden und Ursache für Muskeldystrophien sein können. Als Heterochromatin bezeichnet man in allen Zellzyklusstadien kondensiertes Chromatin, welches in elektronen- mikroskopischen Aufnahmen als dunkle Bereiche im menschlichen Zellkern zu erkennen ist. Interaktionen zwischen verschienenen Heterochromatinregionen, aber auch seine kompakte Struktur weisen auf eine übergeordnete Chromatinstruktur hin, die allerdings nicht genauer bekannt ist. Heterochromatin wird durch Nicht- Histon-Proteine gebildet, welche an spezifischen, oft repetitiven DNA-Sequenzen rekrutiert werden und sich dann von dort entlang dem Chromosom ausbreiten. Dabei werden alle Gene in diesem Bereich abgeschaltet. Obwohl der Mechanismus der Genrepression durch Heterochromatin seit mehreren Jahrzehnten erforscht wird, konnte er bis jetzt nicht abschliessend geklärt werden, wie diese übergeordnete Chromsomenstruktur Gene inaktiviert. Bei der Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae befindet sich Heterochromatin an den reprimierten Paarungstyp-Loci und - wie beim Menschen auch - an den Telomeren. Auch bei Hefe sind Interaktionen zwischen mehreren Heterochromatin-Loci bekannt. So sind die 32 Telomere einer haploiden Hefezelle in nur 5-8 Anhäufungen, so genannten "Clustern" konzentriert. Dies, sowie Beobachtungen über Telomerfaltung in cis deuten darauf hin, dass die Heterochromatinregionen der Hefe miteinander interagieren und eine übergeordnete Chromatinstruktur bilden. Drei Proteine bilden die strukturellen Bausteine des Hefe-Heterochromatins: Sir2, Sir3 und Sir4. Als heterotrimären Komplex binden sie an Chromatin bis zu vier Kilobasen von den Telomeren entfernt. Interessanter Weise reicht die Binding des Sir-Komplexes an Chromatin allein nicht aus, um die Transkription zu unterdrücken. Es wurde gezeigt, dass Zellen mit neu rekurtierten Sir-Proteinen erst S-Phase durchlaufen müssen, damit die Transkription reprimiert wird. Dies deutet darauf hin, dass eine zusätzliche Modifikation oder eine Veränderung der Chromatinstruktur stattfinden muss. Im Rahmen des hier beantragten Projektes wollen wir gezielt die Funktion der trans-Interaktionen im Heterochromatin der Bäckerhefe untersuchen, um die übergeordnete Chromatinstruktur zu analysieren. Wir haben dazu ein System in vitro etabliert, mit welchem wir Heterochromatin rekonstruieren können. Dieses System wird es uns zum ersten Mal erlauben, die genauen molekularen Mechanismen dieser trans Interaktionen genau zu identifizieren. Danach werden wir seine Struktur und die Rolle der trans-Interaktionen in vivo, in lebenden Hefezellen, analysieren.