Transkriptionelles Priming bei neuronaler Diversifizierung

Mit ihrem Projekt "Transcriptional Priming in Neuronal Diversifikation" will die IMP- Gruppenleiterin Luisa Cochella die genregulatorischen Prinzipien verstehen, die der Spezifikation von Zelltypen bei einem Tier während der embryonalen Entwicklung zugrunde liegen. Komplexe Lebewesen entwickeln viele verschiedene Zelltypen aus einem einzigen Genom. Dafür muss jede Zelle einen eigenen Satz von Genen exprimieren, die spezifische strukturelle und funktionelle Komponenten kodieren, die jeden Zelltyp einzigartig machen. Die Expression dieser Gensätze wird durch Transkriptionsfaktoren gesteuert, die typischerweise kombinatorisch wirken, wobei zwei oder mehr Faktoren nötig sind, um die Expression eines bestimmten Gens zu aktivieren. Die kombinatorische Aktivität von Transkriptionsfaktoren ist somit Grundlage großer zellulärer Vielfalt. Luisa Cochella und ihre Kollegen haben durch frühere Arbeiten einen neuartigen Modus der kombinatorischen Aktivität von Transkriptionsfaktoren beschrieben, bei dem zwei Transkriptionsfaktoren zu unterschiedlichen Zeitpunkten während der Entwicklung einer Zelle - mehrere Zellteilungen voneinander entfernt - auf ein Gen einwirken. Der erste Transkriptionsfaktor "primiert" das Gen, der zweite kann dann einige Zellteilungen später seine Expression "verstärken". Dieser Mechanismus ermöglicht eine neue Dimension, in der die Aktivität des Transkriptionsfaktors kombiniert werden kann um die Zellvielfalt zu erhöhen. Ein Beispiel ist die Erzeugung von morphologisch symmetrischen Neuronenpaaren mit asymmetrischen Eigenschaften im Gehirn des Fadenwurms C. elegans. Dieser Mechanismus wirkt aber wahrscheinlich in mehreren Entwicklungskontexten, zum Beispiel in der Wirbeltier- Retina, in der verschiedene Vorläuferzellen frühzeitig in der Entwicklung vorbereitet werden, was sie zur Produktion verschiedener Arten von Netzhautzellen veranlasst. Das Projekt von Luisa Cochella zielt darauf ab, unser Verständnis für den Mechanismus und die Auswirkungen des transkriptionellen Primings auf die Erzeugung neuronaler Diversität während der Entwicklung zu verbessern. Cochella und ihr Team werden auch für dieses Projekt auf C. elegans zurückgreifen, einem einzigartigen experimentellen System mit einem sehr genau definierten Nervensystem und einer vollständig abgebildeten Entwicklungszelllinie. Die Ergebnisse werden nicht nur wertvolles Wissen für die zukünftige Forschung schaffen, sondern auch aktuellen Bemühungen beflügeln, verschiedene Zelltypen in vitro direkt zu generieren.

Die Entwicklung mehrzelliger Organismen beruht auf der Erzeugung hunderter unterschiedlicher Zelltypen mit spezialisierten Eigenschaften und Funktionen. Jeder Zelltyp wird durch die Expression einzigartiger Kombinationen von Proteinen definiert, die als Transkriptionsfaktoren (TF) bezeichnet werden. TF aktivieren die Transkription mehrerer Gene, die zusammen jedem Zelltyp seine einzigartigen funktionellen und morphologischen Merkmale verleihen. TF funktionieren hauptsächlich als Kombinationen von zwei oder mehr Faktoren, wodurch sie eine zelluläre Diversität schaffen, die größer ist als die Anzahl der im Genom kodierten TF. Auf mechanistischer Ebene binden zwei oder mehr TF an dasselbe Stück DNA um die Transkriptionsmaschinerie zu rekrutieren und in Folge zu aktivieren, einzelne Faktoren sind normal nicht ausreichend. Vor einiger Zeit entdeckten wir jedoch, dass zwei TF kombinatorisch auf dasselbe Gen wirken können, obwohl sie nicht gleichzeitig in einer Zelle vorhanden sind - ein Faktor ist früh während der Entwicklung eines Organismus aktiv, ein zweiter erst Stunden später. Dieses Resultat bedeutete, dass kombinatorische Aktivität von TF auch in einem temporalen Kontext betrachtet werden muss und beeinflusst, wie wir über die Erzeugung zellulärer Diversität während der Entwicklung nachdenken müssen. In diesem Projekt wollten wir den bisher unbekannten molekularen Mechanismus untersuchen, der sich hinter dieser Art von kombinatorischer Aktivität verbirgt. Das von uns verwendete System ist das Nervensystem des Fadenwurms Caenorhabditis elegans, das auf 302 Nervenzellen besteht, von denen die meisten links/rechts-symmetrische Positionen im Kopf des Wurms einnehmen. Ähnlich wie unser Gehirn unterschiedliche Funktionen in der linken und rechten Hemisphäre hat, zeigt auch das Nervensystem des Wurms eine seitliche Asymmetrie. Insbesondere ein Paar sensorischer Nervenzellen mit dem Namen ASE ist funktionell asymmetrisch, wobei die linke Nervenzelle andere Ionen wahrnimmt als die rechte. Dieser funktionelle Unterschied wird durch die oben beschriebene zeitliche Kombination von TF etabliert und lieferte ein nachverfolgbares experimentelles System, mit dem dieser Mechanismus untersucht werden kann: Beide ASE Nervenzellen exprimieren einen TF namens CHE-1; allerdings nur die linke Zelle hat einen weiteren TF, TBX-37/38, zu einem früheren Zeitpunkt in der Entwicklung des Wurms aktiv. Durch die zeitlich getrennte, kombinatorische Aktivität von TBX-37/38 und CHE-1 wird in der linken ASE Zelle ein Set an Genen aktiviert, das sich von der rechten Zelle (TBX-37/38 wurde nie exprimiert) unterscheidet. Wir haben herausgefunden, dass die frühe Aktivität von TBX-37/38 die Fähigkeit eines Gens verändert, weiter durch CHE-1 aktiviert zu werden, da dessen DNA zugänglicher gemacht wird. Wenn nun der TF CHE-1 später exprimiert wird, ist er so in der Lage diese sonst unzugängliche Sequenz zu binden. Durch die frühe Aktivität des TF TBX-37/38 wurde so eine Art molekulares Gedächtnis hergestellt. Als Teil dieses Projekts waren wir in der Lage unterschiedliche Akteure zu identifizieren, die maßgeblich an der Etablierung und Aufrechterhaltung dieses Gedächtnisses beteiligt sind und so die Grundlage für die zeitliche kombinative Aktivität von TF bildet.