Aktivitäts-abhängige Genexpression in männlichen und weiblichen Neuronen: 3D Genomarchitektur, Transkription und Chromatinmechanismen

• Antragstellerin: Professorin Dr. Edith Heard, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Allgemeine Genetik und funktionelle Genomforschung
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 508009817

Aktivitäts-abhängige Genexpression in Neuronen – die sequentielle Expression von ‚immediate early genes‘ (IEG, ‚Direktantwortgene‘) und ‚secondary response genes‘ (SRG, sekundäre Antwortgene) – vermittelt die Umwandlung zellexterner Stimuli in eine Genexpressionsantwort im Zellkern. Dort werden Gene exprimiert, die Einfluss auf z.B. Synapsen haben können und die neuronale Funktion nach dem Stimulus modulieren können. Wie andere Gene auch werden IEG und SRG durch die Bindung von Transkriptionsfaktoren (TF) an regulatorische Elemente (z.B. Enhancer) reguliert. Enhancer interagieren mit ihren Zielgenen im Kontext der verschiedenen Ebenen der 3D Genomorganisation (z.B. topologisch assoziierte Domänen (TADs), Chromatininteraktionen oder ‚loops‘). Es ist weitestgehend unklar, wie die verschiedenen Ebenen der Genregulation - die Bindung von Transkriptionsfaktoren, Chromatin-Remodellierung (Öffnen/Schließen von Bindestellen), Chromatinmodifizierung (post-translationale Histonmodifikationen) und Chromatininteraktionen – zusammenhängen und benötigt werden, um Enhancer und Gene zu aktivieren und zu regulieren. Es ist ebenso unklar, wie der hohe Grad an Spezifität zwischen Enhancern und ihren Zielgenen erreicht wird. Wir werden die molekularen Mechanismen, die den Änderungen des Chromatinstatus, der Genomarchitektur und Genaktivität zugrundeliegen, auch unter Zuhilfenahme der Perturbation (z.B. loss-of-function) einiger bekannter an der Aktivitäts-abhängigen Genexpression oder 3D Genomorganisation beteiligter Transkriptionsfaktoren (CTCF, c-Fos) und Chromatin-modifizierender Komplexe (Eed, Lsd1), ergründen. Hierfür werden wir die in vitro Differenzierung von Maus ES Zellen und die gezielte Degradation von Proteinen mit Hilfe von ‚Degrons‘ in Neuronen kombinieren. Viele der Gene auf dem X-Chromosom (darunter wichtige Chromatinmodifizierer wie etwa Utx oder MeCP2) können mit neuronalen Entwicklungsstörungen in Verbindung gebracht werden und entziehen sich teilweise dem Mechanismus der X-Chromosom-Inaktivierung. Die Genprodukte dieser Gene können daher in verschiedenen Konzentrationen (gene dosage) in männlichen und weiblichen Neuronen vorliegen. Dies könnte geschlechtsspezifische Effekte auf die Aktivitäts-abhängige Genexpression zur Folge haben. Bisher ist nur sehr wenig über geschlechtsspezifische Modulierung von Genregulationsmechanismen bekannt. Wir werden auch untersuchen, wie Aktivitäts-abhängige Genexpression auf die Genexpression auf dem X-Chromosom einwirkt und ebenso, wie die unterschiedliche Dosis von X-codierten Proteinen die Aktivitäts-abhängige Genexpression als Antwort auf externe Stimuli beeinflusst. Wir werden die Gendosis X-codierter Proteinfaktoren, die an der Genregulation beteiligt sind (z.B. Med14 oder MeCP2) durch gezielte Degradation in weiblichen Neuronen verändern, um den Einfluss der Dosis dieser Faktoren auf neuronale Genregulation im Kontext von 3D Genomorganisation und Chromatinstatus zu entschlüsseln.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2202: 3-D-Genomarchitektur in Entwicklung und Krankheit