Veränderungen der Chromatinorganisation während der Reifung und bei pathologischer Hypertrophie von Kardiomyozyten

• Antragsteller: Professor Dr. Ralf Gilsbach
• Fachliche Zuordnung: Pharmakologie ; Kardiologie, Angiologie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 386460455

• Erstellungsjahr: 2022

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Epigenetische Mechanismen und die verschiedenen Ebenen der räumlichen Chromatinorganisation kontrollieren die Genexpression. Die Chromatinorganisation umfasst die Bildung von mehreren hundert Kilobasen großen Interaktionsdomänen (TADs), die in Abhängigkeit von ihrem Chromatinstatus übergeordnete räumliche Kompartimente bilden. Hierbei formen TADs mit aktivem Euchromatin sogenannte A-Kompartimente und solche mit inaktivem und dicht gepacktem Heterochromatin sogenannte B-Kompartimente. Innerhalb von TADs interagieren Genpromotoren mit distalen regulatorischen Elementen, zu denen Enhancer gehören. Enhancer sind distale regulatorische Elemente, die die Genexpression fördern. Hier sollte der Aufbau dieser verschiedenen Ebenen der Chromatinorganisation in Kardiomyozyten und ihre Dynamik untersucht werden. Hierfür wurden Chromatininteraktionsdaten von embryonalen Stammzellen und kardialen Progenitorzellen sowie fetalen, postnatalen und adulten Kardiomyozyten als auch hypertrophen Kardiomyozyten der Maus generiert. Zudem wurden tiefe Hi-C Daten für humane Kardiomyozyten herzinsuffizienter Patienten generiert und mit Daten von Kontrollproben verglichen. Die hier generierten Daten zeigen, dass A/B-Kompartimente während der Zelldifferenzierung und Reifung von Kardiomyozyten sukzessive etabliert werden. Die Etablierung dieser Strukturen geht Hand in Hand mit Genexpressionsänderungen, die charakteristisch für die Entwicklung und Reifung von Kardiomyozyten sind. Erstmalig konnte gezeigt werden, dass A/B-Kompartimente in Kardiomyozyten charakteristische DNA-Methylierungssignaturen tragen. Die Etablierung der übergeordneten Chromatinorganisation geht der Manifestierung von DNA-Methylierungssignaturen voraus. Die Deletion von DNA-Methyltransferasen in embryonalen Stammzellen und Kardiomyozyten zeigten, dass die höhere Chromatinorganisation (TADs, A/B-Kompartimente) unabhängig von der de-novo DNA-Methylierung ist. TADs und A/B-Kompartimente als auch Promoter-Enhancer-Interaktionen waren hingegen sehr stabil unter den pathophysiologischen Bedingungen einer humanen Herzinsuffizienz und einer Volumenüberlastung (TAC) im Mausmodell. Hier standen dynamische Veränderungen von epigenetischen Markierungen von Histonen an Promotoren und Enhancern im Vordergrund. Die hier generierten Chromatin-Interaktionsdaten ermöglichen es Enhancer als wichtige Schalter der Genexpression an ihre Zielgene zu linken. Funktionelle genetischen Modulation (CRISPRi) in Kardiomyozyten zeigten, die funktionelle Relevanz verschiedener Enhancer inklusive eines Enhancers des in Kardiomyozyten wichtigen Transkriptionsfaktors Gata6. Über die Ausschaltung dieses Enhancers lässt sich die Expression von Gata6 um 50% senken was zu einer Veränderung von Gata6-abhängigen Genexpressionsprogrammen führt. Die hier erlangten Ergebnisse geben einen Einblick in die übergeordnete Chromatinorganisation von Kardiomyozyten und identifizieren Enhancer-Promoter-Interaktionen als Angriffspunkte für zukünftige therapeutische Ansätze.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• DNA methylation signatures follow preformed chromatin compartments in cardiac myocytes. Nat Commun. 2017 Nov 21;8(1):1667
  Nothjunge S, Nührenberg TG, Grüning BA, Doppler SA, Preissl S, Schwaderer M, Rommel C, Krane M, Hein L, Gilsbach R
  
• Distinct epigenetic programs regulate cardiac myocyte development and disease in the human heart in vivo. Nat Commun. 2018 Jan 26;9(1):391
  Gilsbach R, Schwaderer M, Preissl S, Grüning BA, Kranzhöfer D, Schneider P, Nührenberg TG, Mulero-Navarro S, Weichenhan D, Braun C, Dreßen M, Jacobs AR, Lahm H, Doenst T, Backofen R, Krane M, Gelb BD, Hein L
  
• Galaxy HiCExplorer: a web server for reproducible Hi-C data analysis, quality control and visualization. Nucleic Acids Res. 2018 Jul 2;46(W1):W11-W16
  Wolff J, Bhardwaj V, Nothjunge S, Richard G, Renschler G, Gilsbach R, Manke T, Backofen R, Ramírez F, Grüning BA
  
• Galaxy HiCExplorer 3: a web server for reproducible Hi-C, capture Hi-C and single-cell Hi-C data analysis, quality control and visualization. Nucleic Acids Res. 2020 Jul 2;48(W1):W177-W184
  Wolff J, Rabbani L, Gilsbach R, Richard G, Manke T, Backofen R, Grüning BA
  
• Diabetes changes gene expression but not DNA methylation in cardiac cells. J Mol Cell Cardiol. 2021 Feb;151:74-87
  Lother A, Bondareva O, Saadatmand AR, Pollmeier L, Härdtner C, Hilgendorf I, Weichenhan D, Eckstein V, Plass C, Bode C, Backs J, Hein L, Gilsbach R
  
• Proximity to injury, but neither number of nuclei nor ploidy define pathological adaptation and plasticity in cardiomyocytes. J Mol Cell Cardiol. 2021 Mar;152:95-104
  Hesse M, Bednarz R, Carls E, Becker C, Bondareva O, Lother A, Geisen C, Dreßen M, Krane M, Roell W, Hein L, Fleischmann BK, Gilsbach R