Organisation der Chromatiden in replizierten Chromosomen

Eukaryontische Zellen kodieren ihre genetische Information, das sogenannte Genom, in großen DNA-Molekülen, die in den winzigen Zellkern verpackt sind. Die dreidimensionale Organisation dieser DNA-Moleküle wird durch motorgetriebene Extrusion von DNA-Schleifen und durch schwache physikalische und chemische Wechselwirkungen vermittelt, die große Kompartimente durch Phasentrennung organisieren. Dies führt zu einer hochstrukturierten Faltung des Genoms, die die korrekte Expression, Aufrechterhaltung und Vererbung der genetischen Information gewährleistet. Die DNA-Schleifen bringen regulatorische DNA- Sequenzen in die Nähe ihrer Ziel-Gene, und die Phasentrennung vermittelt die Segregation von aktiven und inaktiven Genen in verschiedene Kompartimente; beide Prozesse tragen zur regulierten Übersetzung der genetischen Information in funktionelle Proteine bei. In proliferierenden Zellen wird das Genom während des Zellzyklus repliziert, wobei identische DNA-Kopien, sogenannte Schwesterchromatiden, entstehen. Nach der Replikation bleiben die Schwesterchromatiden miteinander verbunden, um eine fehlerfreie Reparatur von beschädigten DNA-Molekülen zu gewährleisten. Während der Zellteilung ist die Faltung der Schwesterchromatiden zu diskreten Körpern essentiell für deren Transport zu den Tochterzellen. Obwohl die Interaktionen zwischen Schwesterchromatiden sowohl für die DNA-Reparatur als auch für die Vererbung des Genoms entscheidend sind, ist die dreidimensionale Organisation der Schwesterchromatiden nur unzureichend verstanden. Wie die Verbindungen zwischen Schwesterchromatiden entlang der DNA-Moleküle verteilt sind und wie Loop-Extrusion und Phasentrennung zur Faltung der Schwesterchromatiden beitragen, ist unerforscht. Außerdem ist unbekannt, ob Schwesterchromatid -Interaktionen zur Regulation der Genexpression beitragen. Die dreidimensionale Organisation von replizierten Genomen im Hochdurchsatz zu untersuchen, war bis vor kurzem aufgrund der identischen DNA-Sequenzen der Schwesterchromatiden nicht möglich. Diese Einschränkung wurde durch die Entwicklung einer neuartigen, auf Sequenzierung basierenden Methodik im Gerlich-Laboratorium überwunden, die die Unterscheidung der Schwesterchromatiden ermöglicht und die Faltung replizierter Genome untersuchen kann. Unter Verwendung dieser neuartigen Technik zielt das vom FWF im Rahmen des Hertha-Firnberg-Programms geförderte Projekt darauf ab, die dreidimensionale Organisation von Schwesterchromatiden, den Beitrag von Loop-Extrusion und Phasentrennung bei der Faltung von Schwesterchromatiden und die Rolle von Schwesterchromatid-Interaktionen bei der Regulation der Genexpression zu verstehen.

Eukaryotische Zellen speichern ihre genetischen Informationen in DNA-Molekülen, die bis zu mehreren Zentimetern lang sein können. Diese langen DNA-Moleküle müssen in das winzige Volumen des Zellkerns verpackt werden. Die DNA-Moleküle falten sich zu Chromosomen, deren Struktur hoch reguliert werden muss, damit das Genom zugänglich bleibt und die genetische Information gelesen, repariert und während der Zellteilung an die nächste Generation weitergegeben werden kann. Schlüsselorganisatoren der DNA-Faltung sind die Cohesin-Proteinkomplexe, die DNA aktiv in Schleifen extrudieren und so Interaktionen zwischen entfernten DNA-Regionen fördern, die für die Genexpression wichtig sind. Während der Zellteilung wird das Genom dupliziert, was zu zwei identischen Kopien jeder chromosomalen DNA führt, die als Schwesterchromatiden bezeichnet werden. Nach der Duplikation verbindet eine Teilmenge von Cohesin-Komplexen die Schwesterchromatiden physisch miteinander und etabliert die Kohäsion. Die Kohäsion zwischen den Schwesterchromatiden ist fundamental für die genaue Segregation der genetischen Informationen auf die Tochterzellen und gewährleistet fehlerfreie DNA-Reparatur vor der Zellteilung. Die Koexistenz extrudierter DNA-Schleifen auf einzelnen DNA-Molekülen und physischer Verbindungen zwischen DNA-Molekülen nach der Duplikation des Genoms legt eine komplexe Organisation der Schwesterchromatiden nahe. Die genaue Anordnung von DNA-Schleifen und Kohäsionsstellen, um die physiologischen Funktionen sowohl der Schleifenbildung als auch der Kohäsion zu unterstützen, ist bisher jedoch nicht bekannt. Gefördert durch das Firnberg-Programm des Österreichischen Wissenschaftsfonds, zielt mein Projekt darauf ab, die Organisationsprinzipien replizierter Chromosomen aufzudecken. Durch innovative DNA-Sequenzierungstechniken und fortgeschrittene bioinformatische Analysen habe ich die vielfältigen 3D-Konformationen der Schwesterchromatiden aufgedeckt und die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen characterisiert. Meine Resultate zeigen, dass die Schleifenbildung auf einzelnen DNA-Molekülen kohäsive Verbindungen an bestimmte Regionen verlagert, wo sie sich ansammeln, um die Kohäsion der Schwesterchromatiden aufrechtzuerhalten. Die Trennung der Schwesterchromatiden durch Schleifenbildung könnte entscheidend sein, um die ordnungsgemäße Genregulation zu unterstützen, während die Aufrechterhaltung der Nähe der Schwesterchromatiden an bestimmten Stellen die effiziente DNA-Reparatur erleichtern könnte. Mein Projekt liefert somit Einblicke in die Organisation replizierter Genome.