Visualisierung der Nanoskala 3D-Genomarchitektur und des Transkriptionsstatus während der Spezifikation des Zellschicksals im frühen Mausembryo

• Antragsteller: Dr. Jan Ellenberg
• Fachliche Zuordnung: Zellbiologie ; Allgemeine Genetik und funktionelle Genomforschung ; Entwicklungsbiologie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 508055960

Die Entwicklung von Säugetieren ist ein dynamischer Prozess, beginnend mit der Befruchtung einer Eizelle durch ein Spermium. Der so enstandene Embryo besteht zunaechst aus einer einzigen diploiden, totipotenten Zelle mit zwei Vorkernen, die Zygote. In den darauffolgenden drei bis vier Tagen durchläuft der Embryo mehrere Zellteilungen, und bildet eine Blastozyste, die sich in die Gebärmutterwand der Mutter einnisten kann. Diese Blastozyste enthält die ersten Zellen, die nicht mehr totipotent sind, sondern sich bereits in die ersten zwei Zelllinien differenziert haben, das extraembryonale Trophektoderm und die innere Zellmasse. Diese unterscheiden sich morphologisch und haben verschiedene Expressionsprofile. Wie die fruehe embryonale Differenzierung reguliert wird ist Gegenstand aktiver Forschung. Es wurde gezeigt, dass zeitgleich zum ersten Differenzierungsschritt eine starke Umstrukturierung des Chromatins, sowie Veränderungen des Transkriptoms und Epigenoms stattfinden. Allerdings war es bislang aufgrund von technischen Limitierungen nur sehr begrenzt moeglich, den kausalen Zusammenhang zwischen diesen verschiedenen Prozessen zu untersuchen. Zum Beispiel ist es weiterhin unklar, ob oder wie die räumliche Umstrukturierung eines genomischen Locus seine Aktivität beeinflusst oder umgekehrt, und in welcher Reihenfolge diese Prozesse bei der frühen Embryogenese von Säugetieren stattfinden, in der ausgepraegte zelllinienspezifische Expressionsprofile angelegt werden.In dem vorgeschlagenen Projekt planen wir, diese Wissensluecken zu schliessen und die Beziehung zwischen Genomarchitektur und Transkription in einigen Marker-Genen von Trophektoderm und innerer Zellmasse zu untersuchen. Um dies zu erreichen, werden wir unsere kürzlich beschriebene Chromatin-Tracing-Technologie mit einer Visualisierung von transkriptionalen Aktivitaet kombinieren und diese Gene in verschiedenen Stadien vor und nach der Differenzierung visualisieren. Dies wird es uns ermoeglichen, zum ersten Mal ein hochaufgeloestes quantitatives Model der Genomstruktur einzelner Gene waehrend der ersten embryonalen Differenzierung zu erstellen. Die Einzel-Zelldaten von Genomstruktur und Aktivitaet in Kombination mit gezielten Perturbation werden uns zudem fundamentale Einblicke in den Zusammenhang zwischen der Genomstruktur und der Expression dieser Gene erlauben. In Kombination mit den im Konsortium verfügbaren Einzelzell-Transkriptomik- und Live-Cell-Imaging-Technologien wird uns dies letztlich ermöglichen, ein vollständiges Bild der Struktur-Funktions-Beziehung zwischen Genom, Transkriptom und Zellschicksalsspezifikation im sich entwickelnden Embryonen zu erstellen.

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