Auswirkungen einer neuen H2A Histonvariante auf Chromatinstruktur und Dynamik

Die langen DNA Moleküle sind im Zellkern mit Proteinen assoziiert und bilden mit diesen das Chromatin. Die kleinste Einheit des Chromatins wird Nukleosom genannt und besteht aus acht Histonproteinen, je zwei Moleküle H2A, H2B, H3 und H4, um deren Komplex die DNA gewunden ist. Wir haben eine neue Histonvariante, H2A.W, identifiziert, die im größten Teil des kondensierten Heterochromatins in Pflanzen vorrangig vorkommt. Eine korrekte Organisation des Heterochromatins ist essentiell für die Genomintegrität, vor allem durch die Inaktivierung der Transposons. Weiterhin spielt Heterochromatin durch seine Funktion in den mitotischen Kinetochoren eine wichtige Rolle bei der Aufteilung des genetischen Materials während der Zellteilung. Wir haben bereits gezeigt, dass H2A.W weitgehend für die Organisation von Heterochromatin in den auch in der Interphase kondensierten Chromozentren des Zellkerns verantwortlich ist, die zugrunde liegenden Mechanismen sind aber bisher unbekannt. Unsere wichtigsten Ziele sind die Entschlüsselung der H2A.W Funktion, seine Rolle im Heterochromatin und die Aufklärung der Mechanismen, die zu seinem Einbau in die spezifische Genomregionen führen. Unsere Vorarbeiten haben gezeigt, dass das völlige Fehlen von H2A.W letal ist; bei der partiellen Enfernung von H2A.W wird der Ausfall der primären Funktion durch Erhöhung der DNA Methylierung kompensiert. Um die Funktion des H2A.W zu erfassen, schlagen wir eine Reihe von Strategien vor, die zum vorübergehenden Verlust des H2A.W Proteins führen. Das wird zum einen durch Verringerung der H2A.Z-Transkriptmenge, zum anderen durch einen neuartigen Ansatz bewirkt, bei dem die funktionelle Domäne von H2A.W nach dem Einbau in das Chromatin entfernt wird. Die Auswirkungen werden in beiden Fällen mittels genomweiter Analyse einer Vielzahl von Chromatinkomponenten und epigenetischen Markierungen ermittelt. Darüber hinaus werden die Auswirkungen auf die Chromatinstruktur in vivo mittels hochauflösender Mikroskopie beobachtet. Um den Mechanismus des gezielten Einbaus von H2A.W in das Heterochomatin zu entschlüsseln, planen wir eine Kombination von genetischen und biochemischen Methoden. Ein erster Ansatz ist die Analyse sowohl der zytosolischen als auch der nukleären heterochromatischen Interaktionspartner von H2A.W durch Affinitätschomatographie mit anschliessender Massenspektrometrie. Zusätzlich sollen mit Hilfe zweier genetischer screens solche Gene identifiziert werden, die entweder in der H2A.W Dynamik oder dessen Funktion bei der Heterochromatinorganisation eine Rolle spielen. Insgesamt wird das Projekt unser Verständnis über Aufbau und Funktion des Heterochromatins erweitern.

Das Genom wird in Nukleosomen verpackt, welche den Zugang der Transkriptionsmachinerie, die den DNA Code abliest, regulieren. Nukleosome sind aus vier, zur konservierten Familie der Histone gehörenden Proteine, zusammengesetzt. Die H2A Familie der Histone umfasst Varianten die im Laufe der Evolution immer vielfältiger wurden. Wir fanden heraus, dass H2A-Varianten die biophysikalische Interaktion zwischen Nukleosomen und DNA verändern. Folglich bestimmen H2A-Varianten, ob das Genom für die Dekodierung zugängig ist oder nicht. Pflanzen entwickelten die Variante H2A.W, die sich mit bestimmten Transposons assoziiert und sie inaktiviert, welche sich sonst duplizieren und in verschiedenen Stellen im Genom integrieren würden. Wir identifizierten einen molekularen Mechanismus, der an der Deposition von H2A.W. beteiligt ist und der, wenn wir ihn verstanden haben, dazu benutzt werden kann mit Hilfe der Transposons neue Eigenschaften in Agrarpflanzen zu schaffen. Diese neuen Erkenntnisse können auch helfen, den Mechanismus bestimmter molekularen Motoren, die im Zusammenhang mit Krebserkrankungen bei Säugetieren stehen, besser zu verstehen.