Histon-Austausch beim Aufbau von Heterochromatin

Transposons oder springende Gene, in der Mitte des 20. Jahrhunderts von Barbara McClintock entdeckt, bedrohen die Integrität des Genoms. Die meisten Transposons sind jedoch inaktiviert und in speziellen Regionen des Genoms, dem sogenannten Heterochromatin, angereichert. Falls der Inaktivierungsmechanismus verlorengeht, können die Transposons mobilisiert werden, mit schädlichen Folgen wie z.B. Tumorbildung. Die Erhaltung des Heterochromatins ist relativ gut untersucht, während die Etablierung der Inaktivierung bei der Heterochromatinbildung kaum verstanden ist und das Hauptthema des Antrags darstellt. Das Labor von Dr. Frederic Berger, in dem das Projekt durchgeführt werden soll, hat entdeckt, dass Heterochromatin vorrangig H2A.W enthält, eine bestimmte Variante des Histons H2A. H2A ist einer der vier Histontypen, die die Grundelemente des Chromatins ausmachen. Die Hypothese des Antrags lautet, dass der dynamische Einbau von H2A.W die Grundlage der Heterochromatingestaltung bildet. Ziel des Projektes ist die Untersuchung der zugrundeliegenden biochemischen Mechanismen. Dazu soll ein bisher unbekanntes Protein charakterisiert werden, das spezifisch für den H2A.W Austausch verantwortlich ist und zu der großen Gruppe der Remodeller gehört. Das Studium dieser Austauschproteine ist ein aufkeimendes Gebiet der Chromatinforschung. Der Antragsteller, Dr. Akihisa Osakabe, bringt seine spezielle Expertise in der Chromatinbiochemie an das Wiener Biozentrum mit, um das Projekt dort zu bearbeiten. Mehrere, sich ergänzende Strategien sollen kombiniert werden, um die Eigenschaften des H2A.W-Remodellers und seine Rolle bei der Heterochromatinbildung zu untersuchen. Da Tiere einen ähnlichen Remodeller besitzen, werden die Ergebnisse auch zum Verständnis der Heterochromatinbildung in anderen Organismen beitragen, einschließlich bei Menschen und bei chromatinbasierten Krankheiten.

In mehrzelligen Eukaryoten wird die Genexpression durch Histon-Proteine reguliert, welche direkt mit der DNA assoziiert sind. Unter den fünf Histon-Familien enthält die H2A-Familie mehrere Varianten, die die DNA zu unterschiedlichen Graden zugänglich macht. In Blütenpflanzen gibt es vier Typen von H2A-Varianten,und jeder Typ verleiht der assoziierten Region des Genoms spezifische Eigenschaften. Darüber hinaus dekoriert die Variante H2A.W in Pflanzen spezifisch die Transposable Elements (TEs). TEs sind egoistische DNA-Elemente, die bis zu 80% der Genome ausmachen und das Genom und die Replikationsmaschinerie der Wirtszellen ausnutzen, um zu überleben und sich zu vermehren. Diese Elemente sind mobil und in der Lage, sich aus dem Genom auszuschneiden, zu vermehren und wieder zu integrieren. Die Mobilität der Transposons (Transposition) induziert Mutationen und führt zu genomischer Instabilität, was sich auf evolutionärer Ebene positiv (Entstehung genomischer Variationen) und negativ auf die Gesundheit (Krebszellen) auswirkt. Trotz der Bedeutung der Transposition ist sehr wenig über die beteiligten Mechanismen und ihre Regulierung bekannt. Unsere Arbeit zeigt, dass in der Modellpflanze Arabidopsis der Chromatin Remodeler ASW notwendig und ausreichend ist, um TEs still zu legen. ASW bindet selektiv H2A.W und liefert es an 80% der TEs im Arabidopsis Genom. Wir stellten fest, dass der Einbau von H2A.W durch ASW die Ablagerung epigenetischer Markierungen verhindert, die den Zugang der Transkriptionsmaschinerie erlauben und so auch die Entzifferung des Genomes in RNAs beeinflussen. Somit tarnt ASW TEs, sodass diese nicht mehr von der Transkriptionsmaschinerie erkannt werden. Infolgedessen verhindert dieser neuartige Mechanismus die Expression von Genen, die von TEs getragen werden und ihre Mobilität ermöglichen. Diese Entdeckung verändert unsere Auffassung von Transposonbiologie grundlegend und erweitert unsere Ansichten darüber, wie Genome die Aktivität invasiver Elemente im Kontext von Evolution, Genomstabilität und Krankheit regulieren.