Jost, K. Laurence (2011)
Relevance of heterochromatin topology in genome silencing during (retro) differentiation.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Zelldifferenzierung ist von der korrekten Genexpression in Raum und Zeit abhängig. Da jede Zelle die gleiche DNA enthält müssen epigenetische und Transkriptionsfaktoren diese streng kontrollieren. Schon kleine Abweichungen vom korrekten Differenzierungsprogramm können zu schweren Schäden bis hin zum Tod führen. Protein–DNA-Komplexe, genannt Chromatin, sind für eine globale Form der Genregulation verantwortlich. Viele epigenetische Faktoren modifizieren DNA und Histone direkt, zum Beispiel durch das Anbringen von Methylierungs- und Azetylierungsmarkierungen, welche direkten Einfluss auf Chromatin-Kompaktierung und damit dessen Zugänglichkeit nehmen. Besonders dicht kompaktiertes Heterochromatin, welches hauptsächlich inaktive Gene enthält, könnte einen negativen Expressionseffekt auf benachbarte Gene ausüben. In Mauszellen ist Heterochromatin in zwei Formen aufzufinden, als Cluster innerhalb des Nukleus (Chromocenter) und als dünne Schicht an der nukleären Peripherie. Bisherige Studien, welche sich mit dem Einfluss von Heterochromatin auf die Genexpression befasst haben, kommen zu unterschiedlichen Ergebnissen. Manche Studien unterstreichen den repressiven Effekt von Heterochromatin auf die Genexpression, während andere diesen Effekt nicht beobachten konnten. Diese gegensätzlichen Ergebnisse könnten auf methodische Unzulänglichkeiten in der Distanzmessung zurückzuführen sein. Chromatin unterliegt im Allgemeinen einer starken Umstrukturierung während der Differenzierung. Dieser Punkt wurde in bislang publizierten Messungen häufig unbeachtet gelassen wird. Vor allem in Chromocentern findet eine ausgeprägte Umstrukturierung von vielen kleinen Clustern zu wenigen großen Clustern statt. Zusätzlich verändern sich die Größe und Form des Zellkerns, welches die Distanzmessungen zusätzlich beeinflusst. Im Rahmen der hier vorgestellten Arbeit habe ich eine Methode entwickelt, welche den Einfluss der Zellmorphologie auf die Distanzmessung korrigiert und einen unverfälschten Vergleich zwischen verschiedenen Zelltypen und Stadien ermöglicht. Mit dieser neuen Methode konnte ich die Distanzen von Gen zu Heterochromatin zwischen verschiedenen Pluripotenz- und Differenzierungsstadien vergleichen. Um den Einfluss von Heterochromatin-Reorganisation selbst zu erforschen, war es nötig, diese vom Differenzierungsprozess zu entkoppeln. Dies wurde durch die ektopische Expression von Methyl CpG binding protein (MeCP2) ermöglicht, welches zu ähnlicher heterochomatischer Umorganisation wie in der Differenzierung führt. Mit Hilfe bekannter und neuentwickelter Methoden war es mir möglich zu zeigen, dass die Position eines Genes im Verhältnis zu Heterochromatin stark vom jeweiligen genetischen Umfeld des Genes abhängig ist. Genrepositionierung in Relation zu Chromocentern ist hingegen nicht an die Änderungen der Genexpression während der Differenzierung gekoppelt. Im Gegensatz zu bereits veröffentlichten Hypothesen, konnte ich im Falle von Repositionierung zur Peripherie eine negative Korrelation zur Genexpression beobachten. Dies bedeutet, dass die Peripherie mehr einen aktivierenden als einen repressiven Einfluss haben könnte. Wurde die Chromatin-Reorganisation hingegen nur durch MeCP2 Expression ausgelöst, wurde eine eine positive Korrelation zwischen Genexpression und Distanzänderung zu Chromocentern beobachtet. Dies unterstreicht den Effekt von Chromatin-Reorganisation auf Genexpression, welcher sonst von anderen Prozessen während der Differenzierung überdeckt wird. Auch in diesem Versuch konnte kein repressiver Einfluss der Peripherie auf die Genexpression gezeigt werden. Zusammengefasst lässt sich feststellen, dass konstitutives Heterochromatin (Chromocenter) in einigen Fällen einen repressiven Effekt auf die Genexpression ausübt, während fakultatives Heterochromatin eine aktivierende Funktion besitzt.

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