Histonen, Chromatin dynamik und Transposons-silenciing

Die Genexpression in multizellulären Eukaryonten wird durch Histone reguliert direkt mit der DNA zusammenhängende Proteine. Unter den fünf Histonarten enthält die H2A-Familie Varianten die spezifisch an exprimierte Gene, unterdrückte Gene oder Transposonen binden. Die Steuermechanismen dieser spezifischen verschiedenen Depositionsmuster der H2A-Varianten sind derzeit weitgehend unbekannt. Wir konnten nachweisen, dass für die Deposition der Variante H2A.W auf Transposonen in Blütenpflanzen der Chromatin- Remodeler DDM1 verantwortlich ist. Die Wirkung dieses Chromatin-Remodelers (und dessen Ortholog bei Säugetieren) auf die Stilllegung von Transposonen und auf die DNA- Methylierung wurde bereits vor zwanzig Jahren nachgewiesen. Die dieser Wirkung zugrundeliegende Funktion ist jedoch bis heute unklar geblieben. In unserem Projekt wollen wir unter Verwendung eines neuen genomischen Ansatzes herausfinden, ob die Deposition von H2A.W durch DDM1 direkt für das Transposon-Silencing verantwortlich ist: Zur Identifikation der regulatorischen Partner von DDM1 wird eine Kombination aus genetischen und biochemischen Methoden verwendet. Da sich Histone und die damit verbundenen Chromatin-Remodeler bei Tieren und Pflanzen parallel entwickelten, wird diese Forschung unser Verständnis der Chromatindynamik in allen Eukaryonten beeinflussen.

Transposons sind eine große Bedrohung für die Integrität des Genoms, und DNA-Methylierungssysteme spielen eine zentrale Rolle bei der Verhinderung ihrer Mobilisierung. Die DNA-Methylierung findet im Kontext des Nukleosoms statt, der grundlegenden Einheit des Chromatins, die 147 Basenpaare (bp) der DNA um ein Oktamer wickelt, das ein zentrales Tetramer aus zwei Histon-H3-H4-Dimeren umfasst, die von zwei Histon-H2A-H2B-Dimeren flankiert werden. Die Ablagerung der DNA-Methylierung und spezifischer H2A-Varianten hängt von der Aktivität der DHL-Chromatin-Remodeller ab, die eine Vielzahl von Prozessen an den Nukleosomen durchführen, u. a. den Zusammenbau, das Abstandshalten, das Verschieben und das Verdrängen von Nukleosomen, um die DNA mehr oder weniger zugänglich zu machen. Der pflanzliche DHL-Remodeller DDM1 lagert H2A.W ab, um Transposons zum Schweigen zu bringen. Ziel dieses Antrags war es, die Wirkmechanismen von DDM1 und H2A.W bei der Unterdrückung der Transkription von Transposons zu identifizieren. Wir haben an der Entdeckung der Struktur von DDM1 im Komplex mit H2A.W mitgearbeitet. Wir haben gezeigt, dass H2A.W in Synergie mit der H3K9-Methylierung wirkt, um Transposons zum Schweigen zu bringen, und zwar weitgehend unabhängig von der DNA-Methylierung. Wir haben auch einen Kofaktor von DDM1 identifiziert und gezeigt, dass dieser einer evolutionären Selektion unterliegt, um das Epigenom zu verändern und natürliche Pflanzenpopulationen an unterschiedliche Lebensstile anzupassen. Unsere Ergebnisse erweitern also das Feld des Transposon-Silencing und rücken diese neuen Mechanismen in die Perspektive von Evolution und Anpassung.