Epigenetische Kontrolle der Aktivität von Transkriptionsfaktoren

• Antragsteller: Arnaud Krebs, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Allgemeine Genetik und funktionelle Genomforschung
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 418196409

Die Entwicklung komplexer Organismen beruht auf der exakten Durchführung differenzieller Transkriptionsprogramme. Die Bindung von Transkriptionsfaktoren (TFs) an cis-Elemente übersetzt dabei die genetische Information der DNA in die entsprechenden Genexpressionsmuster. In Eukaryoten ist die DNA im Zuge ihrer Verpackung um Histonoktamere gewunden, wodurch eine physische Barriere geschaffen wird, die die zufällige und fehlerhafte Bindung von TFs verhindert. Der Verpackungsgrad des Chromatins ist durch verschiedene Prozesse, wie posttranslationale Modifikationen der Histone, streng reguliert. Dementsprechend wird die Aktivität von cis-Elementen zum einen durch die Interpretation der genetischen Information durch TFs und zum anderen durch die epigenetischen Marker des umliegenden Chromatins bestimmt. Es wird allgemein angenommen, dass die Interaktionen zwischen diesen zwei Ebenen der Transkriptionsregulation ein wichtiger Schlüssel zur genauen Kontrolle komplexer Genexpressionsmuster während der Entwicklung sind. Allerdings sind die genauen Mechanismen, wie Chromatinmodifikationen die Bindung von TFs beeinflussen, weitgehend unbekannt. Mit den Methoden, die derzeit benutzt werden, um die Anwesenheit von Chromatinmarkern und die Bindung von TFs zu untersuchen, werden Signale von Millionen von Zellen zusammengenommen und gemittelt. Folglich können diese Methoden nur die relative Häufigkeit von jedem Faktor individuell messen, aber keine Aussage über die Frequenz des gleichzeitigen Auftretens von Histonmodifikationen und TF-Bindung auf molekularer Ebene treffen. Mit diesem Projektantrag streben wir an, über diese Grenzen hinwegzugehen, indem wir einen neuen genomischen Assay entwickeln, der die Bindung von TFs und die Anwesenheit von Chromatinmodifikationen im Genom gleichzeitig und auf der Ebene einzelner Moleküle untersucht. Wir werden dieses Protokoll auf eine Auswahl von Histonmodifikationen anwenden, von denen bekannt ist, dass sie die Aktivität von cis-Elementen regulieren. Die daraus resultierenden genomweiten Daten der einzelnen Chromatinmoleküle werden aufzeigen, ob die Anwesenheit dieser Marker mit einer höheren oder geringeren Frequenz der Bindung bestimmter TFs an cis-Elemente korreliert. Wir werden mögliche Abhängigkeiten anhand der Interaktionsdaten definieren und daraus ein Netzwerk entwickeln, das die Beziehungen zwischen Chromatinmarker und TFs beschreibt. Wesentlich ist, dass wir zudem auch experimentell testen werden, ob diese identifizierten Abhängigkeiten auch funktionale Relevanz haben, indem wir die Effekte von globalen und gezielten Veränderungen der Chromatinmodifikationen durch chemische Inhibition, genetische Deletion und epigenomisches Editing untersuchen. Zusammen werden die Ergebnisse der hier vorgestellten Arbeit charakterisieren, wie epigenetische Modifikationen durch die Anpassung des Zugangs der TFs zu ihren Ziel-cis-Elementen zur transkriptionellen Kontrolle im Kontext der Schicksalsentscheidung der Zelle beitragen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen