Chromatin Regulation durch Lamine im Kerninneren

Lamine sind Intermediär-Filamente, die in allen mehrzelligen Organismen vorkommen und an der Kernhülle ein filamentöses Netzwerk bilden, die Lamina, die für die Form und mechanische Stabilität des Zellkerns verantwortlich ist. Zusätzlich verankert die Lamina das Heterochromatin an der Kernhülle und trägt damit zur Regulation der Genexpression bei. Es gibt B-Typ Lamine, die in allen Zellen, auch während der Entwicklung vorkommen, und die A-Typ Lamine, Lamin A und C, die erst in späteren Entwicklungsstadien gebildet werden. Während B-Typ Lamine durch eine Modifikation mit hydrophoben Farnesylgruppen eng mit der Kernmembran in der Kernhülle verknüpft sind, sind A-Typ Lamine nicht modifiziert und können daher auch von der Kernhülle in das Kerninnere diffundieren. Dieses Projekt beschäftigt sich mit diesen bis dato kaum untersuchten Laminen im Kerninneren und versucht die kürzlich aufgestellte Hypothese zu überprüfen, dass Lamine im Kerninneren für die generelle Chromatinorganisation und Regulation verantwortlich sind und damit die Zelldifferenzierung regulieren. Unsere früheren Studien haben ein Lamin-assoziiertes Polypeptid (LAP2alpha) identifiziert, das die Lamine im Kerninneren direkt reguliert. Transgene Mäuse, in denen das Lap2alpha Gen entfernt wurde, haben kein Lamin im Kerninneren und zeigen eine Beeinträchtigung der Vorläuferzellen in verschiedenen Geweben, die für die Gewebsregeneration wichtig sind. Um die molekularen Mechanismen dieses Erscheinungsbildes zu untersuchen werden wir durch neue, hochentwickelte Techniken der Lichtmikroskopie die Dynamik und Regulation der Interaktion von Laminen und LAP2alpha untersuchen und testen, wie der Verlust von LAP2alpha die Lamin A Dynamik beeinflusst. Weiters werden wir durch Chromatin-Immunopräzipitation die Interaktion dieser Protein mit dem Genom der Zellen untersuchen und mit einer neuen Interaktionsstudie Proteine identifizieren, die zusammen mit LAP2alpha an Chromatin binden. Um die physiologische Relevanz dieses Prozesses zu testen, werden wir die Expression von Lamin A und von LAP2alpha in embryonalen Stammzellen der Maus verändern, und Veränderungen in der Chromatinorganisation und im Differenzierungsverhalten untersuchen. Weiters werden wir die Auswirkungen von Laminvarianten, die für genetische Erkrankungen, wie Muskeldystrophie und "Vorzeitiges Altern" verantworlich sind, auf die Dynamik von Laminen und LAP2alpha und auf die Chromatinregulation testen. Wir erwarten, dass dieses Projekt fundamental neue Einblicke in die Rolle von Laminen in der Chromatinorganisation und Genexpression während der normalen Zelldifferenzierung und in Krankheiten auf molekularer Ebene bringen wird.

Lamine sind Proteine, die an der Zellkernhülle ein filamentöses stabiles Netzwerk - die Lamina - bilden. Die Lamina hat zumindest zwei wichtige Aufgaben: Sie bestimmt die mechanische Stabilität des Zellkerns und sie bindet inaktive Bereiche des Genoms, sogenanntes Heterochromatin, an die Kernperipherie um darin enthaltene Gene stillzulegen. Unsere Forschung beschäftigt sich mit einer anderen, bisher kaum erforschten Gruppe von Laminen, die nicht Teil der stabilen Lamina sind sondern frei im Kerninneren vorliegen. Unser Projekt hatte zum Ziel das dynamische Verhalten und die Regulation von Laminen im Kerninneren zu studieren. Wir haben vor einigen Jahren ein Lamin-Bindungsprotein (LAP2alpha) identifiziert und zeigten, dass bei Verlust dieses Proteins Lamine im Kerninneren nicht mehr nachzuweisen sind. In diesem Projekt zeigen wir mittels moderner Mikroskopietechniken, dass in Abwesenheit von LAP2alpha Lamine im Kerninneren nicht verloren gehen sondern sie stabile undynamische Komplexe bilden. Wir finden auch, dass das dynamische Verhalten von Lamin-LAP2alpha Komplexen essentiell für die korrekte Organisation des Chromatins in Kerninneren und der damit zusammenhängenden Regulation der Genexpression ist. Wir konnten zeigen, dass Lamin-LAP2alpha Komplexe nicht nur an stillgelegte Bereiche im Genom binden sondern überraschenderweise auch an offene aktive Genomabschnitte. Verlust von LAP2alpha veränderte dieses Genom Bindungsmuster von Laminen und führte zu veränderter Genexpression. Unsere Ergebnisse führen in wissenschaftliches Neuland, da sie eine neue Hypothese für die Rolle von Laminen in der Genomregulation aufzeigen. Dieses neue Modell sieht eine sehr viel komplexere Funktion von Laminen in der Genregulation als bisher angenommen. Demnach sind Lamine nicht nur an der Stilllegung von Genen an der Kernhülle beteiligt sondern, insbesondere der dynamische Pool an Laminen im Kerninneren reguliert auch aktive Genbereiche und bildet einen zusätzlichen Mechanismus zur Genregulation. Um die physiologische Relevanz dieses neuen Modells zu zeigen haben wir die Dynamik und Funktion von Laminen und LAP2alpha auch in krankheitsrelevanten Zellen untersucht. Laminmutationen führen zu diversen Krankheiten, unter anderem zum vorzeitigen Altern Syndrom Progeria. Wir konnten zeigen, dass in den Zellen, die Progeria-auslösende Laminvarianten besitzen, die Menge an LAP2alpha und der dynamische Laminpool reduziert sind, was das Zellwachstum stark beeinflusst. Interessanterweise konnte die Wiedereinbringung von LAP2alpha das Zellwachstum wiederherstellen, wahrscheinlich durch Umorganisation des Chromatins. Zusammengefasst haben unsere Studien neue unerwartete Funktionen von Laminen in der Genomorganisation aufgezeigt, die Relevanz für Krankheiten haben und neue Therapien für Progeria aufzeigen können.