Identifizierung des RNA:DNA Triplex Bindungscodes von nicht kodierenden RNAs und Analyse ihrer Interaktionen mit Chromatin

• Antragsteller: Professor Dr. Gernot M. Längst
• Fachliche Zuordnung: Allgemeine Genetik und funktionelle Genomforschung ; Biochemie
• Förderung: Förderung seit 2009
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 88471535

RNA:DNA dreifach Helices bestehen aus dem DNA Doppelstrang und einem RNA Einzelstrang, der an die große Furche der DNA bindet. Die Bindung erfolgt sequenzspezifisch, so dass lange und kurze nicht kodierende RNA Moleküle gezielt an das Genom rekrutiert werden können. Diese Art der RNA Rekrutierung spielt eine Rolle in der RNA antisense vermittelten Genregulation, bei der Einstellung und Erhaltung von epigenetischen Zuständen, bei der Regulation der Chromatindichte, bei der Regulation der Genomzugänglichkeit sowie in der Zellkernarchitektur, indem Dreifach-Helices die Interaktion zwischen Chromosomen und die Organisation der „Topologisch Assoziierten Domänen“ vermitteln. Trotz der vielen Funktionen ist wenig zu den biochemischen und biophysikalischen Eigenschaften der RNA:DNA Strukturen und deren Interaktion mit Chromatin bekannt. Es existieren drei verschiedene Dreifach-Helix Bindungsmotive zu denen keine, oder nur lückenhafte Datensätze existieren, die die Bindungsmotive beschreiben. Die Bindung und Bindungsaffinität der RNA:DNA Wechselwirkung wird bestimmt durch die Motiv-Art, deren Sequenzmotive, deren Länge, deren GC-Gehalt und der Anzahl und Art von Fehlbasenpaarungen. Wir konnten kürzlich zeigen, dass die Bindungsparameter entgegen den Erwartungen sehr unterschiedlich sind und teils klare Motive, durch die Theorie vorhergesagte Dreifach-Helix Motive, keine Bindung zeigen. Das Bedeutet, dass es keine sinnvolle Vorhersagemöglichkeit gibt, ob sich Dreifach-Helices in der Zelle ausbilden können oder nicht. Entsprechend zeigen wir, dass vorhergesagte und publizierte Motive zum Teil falsch sind und keine Bindung zeigen. Wir konnten auch zeigen, dass die Position der Nukleosomen auf der DNA entscheidend die Bindung der Dreifach-Helices beeinflusst. Im nukleosomalen Kontext binden sie nicht, jedoch werden Dreifach-Helices, die direkt an das Nukleosom angrenzen, durch den Histon H3-tail stabilisiert. Es gibt also einen direkten Zusammenhang zwischen Chromatinstruktur und Dreifach-Helix Bindung und womöglich eine weitere Ebene der Regulation durch die posttranslationalen Modifikationen am H3 N-Terminus. Mit diesem Antrag schlagen wir vor den Bindungscode der Dreifach-Helices in vitro mittels biochemisch/biophysikalischer Methoden zu bestimmen, um für beliebige Sequenzen Bindungsaffinitäten vorhersagen zu können. Weiterhin wollen wir die Interaktion der RNA:DNA Strukturen mit Chromatin untersuchen. Wie stabilisiert der H3 N-Terminus und seine Modifikationen die Bindung der RNA an Chromatin. Mit dieser Matrix an Bindungsstudien werden wir ein bioinformatisches Tool entwickeln, das eine Vorhersage über die Bindung und Bindungsaffinität möglicher Dreifach-Helix Motive in Zellen ermöglicht. Wir sind der Überzeugung, dass wir mit dieser Arbeit eine wichtige Grundlage für die Untersuchung zellulärer Funktionen von sequenzspezifischer RNA-Rekrutierung an in Chromatin, etablieren können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen