Architekt der Erbgutfaltung

Epigenetischer Regulator entscheidend für die Neueinrichtung der 3D-Genomarchitekur in früher Embryonalentwicklung von Drosophila

Das DNA-Molekül liegt nicht nackt im Zellkern. Stattdessen wird es mit Hilfe verschiedener Proteine auf eine sehr strukturierte Weise gefaltet, um eine einzigartige räumliche Organisation der genetischen Information zu schaffen. Diese 3D-Organisation des Genoms ist grundlegend für die Regulation unserer Gene und muss von jedem Individuum während der frühen Embryogenese von neuem aufgebaut werden. Forschende am Max-Planck-Institut für Immunbiologie und Epigenetik in Freiburg haben nun in Zusammenarbeit mit dem Friedrich-Mischer-Institut in Basel eine bisher unbekannte Rolle des Proteins HP1a bei der 3D-Genom-Reorganisation in der frühen Phase der Entwicklung von Drosophila melanogaster aufgedeckt. Die Studie identifiziert HP1a als einen epigenetischen Regulator, der an der Etablierung der globalen Struktur des Genoms im Drosophila-Embryo wesentlich beteiligt ist.

In the Figure (left to right); i) cartoon representing the Rabl configuration of chromosomes in the early embryo. Pericentromeric regions are apical, chromosome arms are aligned and telomeres are basal. A-compartments are represented in yellow and B-compartments are represented in blue. ii) Immunofluorescence staining for HP1a in early embryo, reflecting the Rabl configuration as in the cartoon, with HP1 enrichment in pericentromeric regions. iii) Differential Hi-C contact map (log2-transformed), highlighting increased contact frequencies within chromosome arms, decreased inter-arm and inter-chromosome contacts, reduced associations within and between pericentromeric regions in HP1-KD embryos. iv) Snapshots of polymer simulations of chromatin folding in wild-type control (left) and mutant (right) conditions, where the pericentromeric regions are free to expand.

Die Information des menschlichen Genoms ist durch etwa 3 Milliarden DNA-Basenpaaren codiert und in 23 Chromosomenpaare verpackt. Würden alle Chromosomen entwirrt und die Basenpaare wie auf einer Perlenkette hintereinander aufgereiht werden, dann hätte der DNA-Faden eine Länge von etwa 2 Metern. Es liegt auf der Hand, dass DNA-Moleküle extrem dicht verpackt und komprimiert werden müssen, um in die Zellkerne zu passen, deren Größe im Mikrometerbereich liegt. „Der DNA-Faden wird aber nicht einfach in den Zellkern hineingestopft. Vielmehr wird er in einem organisierten Prozess gefaltet und komprimiert verpackt. So ist es möglich, dass verschiedene, manchmal mehrere tausend Basen voneinander entfernte Teile des Genoms miteinander kommunizieren können, um Genfunktionen korrekt auszuführen“, sagt Nicola Iovino, Gruppenleiter am MPI für Immunbiologie und Epigenetik in Freiburg 

Teil dieser Verpackung sind Histonproteine, die wie Spulen funktionieren, um die sich die DNA wickelt und dadurch verdichtet wird. Der Komplex aus DNA und Proteinen wird Chromatin genannt. Das Chromatin ist auch die Grundlage für die weitere Verpackung des genetischen Materials in Chromosomen, deren Struktur vor allem durch ihre charakteristische Kreuzform bekannt ist. Die Chromosomen selbst nehmen bestimmte Positionen innerhalb des Zellkerns ein, die ebenfalls eine effiziente Verpackung ermöglichen und das Genom in funktionelle Einheiten organisieren.

Die Maschinerie, die zu dieser Organisation des Chromatins beiträgt, ist in vielen Teilen noch unerforscht. Nun konnte aber das Labor von Nicola Iovino am MPI für Immunbiologie und Epigenetik in Freiburg in Zusammenarbeit mit Luca Giorgetti vom Schweizer Friedrich-Miescher-Institut in Basel die zentrale Rolle des Proteins HP1a bei der Reorganisation der Chromatinstruktur nach der Befruchtung aufzeigen. Durch die Kombination von Drosophila-Genetik mit 3D-Genommodellierung entdeckten sie, dass HP1a für die Herausbildung einer korrekten Chromatinstruktur während der frühen Embryonalentwicklung erforderlich ist.

Frühe Embryonen als Modell zur Untersuchung der Chromatin-Neuprogrammierung

Sowohl der Grad der Verpackung als auch die entsprechende Genaktivität werden durch sogenannte epigenetische Modifikationen beeinflusst. Das sind kleine chemische Gruppen, die an die Histone angebracht werden. „Dabei kommen Proteine zum Einsatz, die diese epigenetischen Modifikationen regulieren. Wir haben herausgefunden, dass das HP1a-Protein benötigt wird, um während der frühen Embryonalentwicklung in Drosophila die Chromatinstruktur neu aufzubauen“, sagt Fides Zenk, Erstautorin der Studie.

Die frühe Embryonalentwicklung ist ein besonders interessantes Zeitfenster um Steuerungsprozesse der Chromatinorganisation zu untersuchen. Bei der Befruchtung verschmelzen zwei hochspezialisierte Zellen – Spermium und Eizelle. Aus der resultierenden totipotenten Zygote entstehen letztlich alle unterschiedlichen Zellen des Körpers. Dabei werden aber die meisten epigenetischen Modifikationen, die das Chromatin formen, gelöscht und müssen anschließend von neuem gesetzt werden. In Versuchen mit der Fruchtfliege Drosophila melanogaster hatte das Labor von Nicola Iovino zuvor gezeigt, dass das Chromatin nach der Befruchtung große Umstrukturierungen erfährt. Damit ist es das ideale Modellsystem, um die Prozesse zu untersuchen, die der Etablierung der Chromatinstruktur zugrundeliegen.

Neueinrichtung der 3D-Genomarchitekur

Direktnach der Befruchtung werden die meisten epigenetische Modifikationen, gelöscht und  neu aufgebaut. Ebenso erscheint auch die 3D-Chromatinstruktur erstmals wenn das Genom der Zygote nach der Befruchtung zum ersten Mal aktiviert wird. 

Die Restrukturierung der Chromatinverpackung umfasst nicht nur die Clusterbildung und Komprimierung der der Regionen rund um das Zentromer der Chromsosmen (perizentromerisch), die Faltung der Chromosomenarme, sondern auch die Aufteilung der Chromosomen in aktive und inaktive Regionen. „Für all diese verschiedenen Ebenen um letztlich eine funktionelle Chromatinstruktur während der frühen Embryogenese herzustellen, haben wir das Protein HP1a als einen wichtigen epigenetischen Regulator identifiziert. Dabei ist es nicht nur wichtig für die Aufrechterhaltung der Integrität einzelner Chromosomen. Es hat auch eine zentrale Bedeutung für die gesamte Neueinrichtung der 3D-Genomarchitekur im frühen Embryo“, erläutert Nicola Iovino.

3D-Genomsimulation

Auf den Erkenntnissen und Daten der Freiburger fußend haben Forschende des Friedrich-Miescher-Institutes (FMI) in Basel um Luca Giorgetti realistische, dreidimensionale Chromosomenmodelle zu erzeugen. Dies war möglich, da Chromosomen im Zellkern sogenannte Polymere darstellen. Dies sind sehr große Moleküle, die aus Ketten kleinerer Teile (Monomere) bestehen – in diesem Fall aufeinanderfolgende DNA-Basenpaare und DNA-bindende Proteine, welche zusammen die Chromatinfasern bilden. Wie alle anderen Polymere, z.B. Seide, Polyethylen oder Polyester, unterliegt auch Chromatin einer Reihe physikalischer Gesetze, die durch die „Polymerphysik“ beschrieben werden. Diese Gesetze können von Computerprogrammen genutzt werden und zur Simulation der dreidimensionalen Organisation von Chromosomen im Zellkern verwendet werden.

„Der Vorteil dieses Ansatzes besteht darin, dass die Effekte vieler verschiedener Experimente simuliert werden können. So können wir Szenarien wie zum Beispiel das gleichzeitige Ausschalten verschiedener Proteine untersuchen, die experimentell so nicht umgesetzt werden könnten. Durch den Vergleich der Simulationen mit den Versuchsergebnissen, können wir durch dieses Verfahren auch alternative Hypothesen prüfen, die die experimentellen Beobachtungen auch erklären könnten“, erläutert Luca Gioretti.

In diesem Fall verwendeten die FMI-Forscher Polymermodelle des gesamten Drosophila-Genoms, um die Frage zu stellen: Ist es aufgrund der Gesetze der Polymerphysik möglich, dass das Ausschalten eines einzigen Proteins – HP1a – zu einer massiven Veränderung in der Organisation der Chromosomen im Zellkern führt? Oder sind zusätzliche Mechanismen erforderlich, um die experimentellen Beobachtungen zu erklären? Wir konnten mithilfe unserer Simulationen zeigen, dass das Entfernen von HP1a von seinen Bindungsstellen die Versuchsergebnisse gänzlich erklären kann. HP1a hat eine Schlüsselrolle für die Entstehung der dreidimensionalen Organisation des Genoms spielt“, sagt Yinxiu Zhan, Co-Erstautor der Studie.

NI/FZ/MR

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