Chromatin Regulation durch CHD1 in Metabolismus und Altern

In jeder pflanzlichen, pilzlichen und tierischen Zelle ist die DNA in hochgeordneter Form durch Interaktion mit speziellen Proteinen, den Histonen, verpackt. Die dadurch entstehende Struktur wird als Chromatin bezeichnet. Da der Zugang zur DNA und damit das Ablesen der genetischen Information durch das Chromatin erschwert wird, haben sich hochspezialisierte Mechanismen entwickelt, welche die Struktur des Chromatins gezielt verändern können und so in sehr präziser und zeitlich und räumlich koordinierter Weise den Zugang zur DNA ermöglichen. Solche Veränderungen können unter anderem von einer evolutionär konservierten Gruppe von Enzymen, den Chromatin Remodeling Enzymen, hervorgerufen werden, die in einem energieaufwändigen Prozess die Kontakte zwischen der DNA und den Histonen verändern. Eines dieser Enzyme ist CHD1 (chromodomain- helicase-DNA binding 1), welches das Chromatin nicht nur um- sondern auch neu aufbauen kann. Obwohl die mechanistischen Details der Arbeitsweise von CHD1 in den letzten Jahren zu einem hohen Grad aufgeklärt worden sind, ist über seine biologische Rolle im Kontext eines komplexen Organismus weit weniger bekannt. In früheren Studien konnten wir unter anderem zeigen, dass das Ausschalten des Chd1 Gens in Drosophila melanogaster zu intestinaler Immunschwäche und einem veränderten Darm-Mikrobiom führt. Weiters zeigen unveröffentlichte Befunde, dass die Abwesenheit von CHD1 zu verkürzter Lebensdauer führt und es zum Auftreten von Zeichen verfrühten Alterns und deregulierter Insulin und TOR Signaltransduktion kommt. Ziel dieses Antrages ist es, die Art und das Ausmaß der Beteiligung von CHD1 an der Regulation von grundlegenden Stoffwechslvorgängen sowie Prozessen des Alterns in der Fruchtfliege aufzuklären. Wir werden dazu eine Kombination genetischer, biochemischer, verhaltensorientierter und omics Ansätze verwenden, (i) um zu untersuchen, ob die phänotypischen Defekte in Chd1- defizienten Fliegen bereits in der Entwicklung angelegt werden oder ob sie aufgrund einer kritischen Rolle von CHD1 im erwachsenen Tier zustande kommen; (ii) um eine umfassende Untersuchung unterschiedlicher Aspekte des Metabolismus, der Physiologie und des Verhaltens von Chd1- defizienten Fliegen durchzuführen und (iii) um die molekularen Ursachen der beobachteten Defekte aufzuklären. Das Wissen über die Beteiligung energieabhängiger Chromatinregulation an der Kontrolle von Stoffwechsel- und Alternsvorgängen ist derzeit noch sehr begrenzt. Die Ergebnisse der vorgeschlagenen Studie sollten daher dazu beitragen wichtige Lücken in unserem Verständnis dieser grundlegenden Prozesse zu schließen. Im Lichte der starken evolutionären Konservierung von Metabolismus und Alternsvorgängen und ihrer Regulation, ist es naheliegend, dass Erkenntnisse dieser Studie auch zum besseren Verständnis der molekularen Grundlagen von weit verbreiteten menschlichen Erkrankungen, wie z.B. Diabetes, Adipositas oder Esstörungen, liefern können.

Im Mittelpunkt des Projekts stand die Untersuchung der physiologischen Rolle des molekularen Motorproteins CHD1. Insbesondere wollten wir herausfinden, ob CHD1 dazu beiträgt, eine gesunde Chromatinstruktur in Zellen zu schaffen und zu erhalten. Unsere Forschung, bei der die Fruchtfliege als Modellsystem verwendet wurde, ergab, dass die Deletion des CHD1-Gens zu Problemen bei der Aufrechterhaltung der Chromatinintegrität in Gehirnzellen führte. Wir fanden heraus, dass die Fähigkeit von CHD1, die H3.3-Histonvariante einzubauen, für die beobachteten Defekte in der CHD1-Mutante verantwortlich ist. Histone sind Proteine, die zusammen mit der DNA einen hoch strukturierten Komplex bilden, der Chromatin genannt wird. Chromatin schützt die DNA vor Schäden und ermöglicht die korrekte Aktivierung und Inaktivierung von Genen. Während der Gentranskription können einige Histone verloren gehen und müssen durch Proteine wie CHD1 ersetzt werden. Gehirnzellen sind besonders auf den Ersatz regulärer Histone durch die Variante H3.3 und damit auf CHD1 angewiesen. Defekte in CHD1 führen zu einer zunehmenden Unordnung des Chromatins und einer stark gestörten Transkription. Dies führt zu Phänotypen wie stark gestörtem Fressverhalten, vermehrten Entzündungen und gestörtem Stoffwechsel, was letztlich die Lebensspanne der Fliegen deutlich verkürzt. Darüber hinaus haben unsere Studien eine wichtige Rolle von CHD1 bei der sensorischen Wahrnehmung der Fliege aufgedeckt. CHD1-Proteine sind in verschiedenen Organismen sehr ähnlich, was darauf hindeutet, dass sie beim Menschen eine ähnliche Funktion haben könnten.