Epigenetische Auswirkungen einzelner DNA-Basenmodifikationen

• Antragsteller: Professor Dr. Andriy Khobta
• Fachliche Zuordnung: Public Health, Gesundheitsbezogene Versorgungsforschung, Sozial- und Arbeitsmedizin
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 213739613

Epigenetische Veränderungen und die daraus resultierende Deregulierung der betroffenen Gene sind an der Pathogenese zahlreicher altersbedingter Krankheiten wie Krebs, neurologischen Störungen und Immunerkrankungen beteiligt. Bemerkenswerterweise sind dieselben Genloci oft ebenfalls von Genmutationen betroffen, was vermuten lässt, dass beide Arten von Veränderungen ihren Ursprung möglicherweise in gemeinsamen DNA-schädigenden Ereignissen haben. Bislang war es jedoch nicht möglich eine hierfür verantwortliche DNA-Läsion oder das schädigende Agens aufzuspüren. Mittels photochemisch geschädigter Reportervektoren hat mein Arbeitskreis Hinweise für einen Chromatin-vermittelten Mechanismus zur Genstilllegung geliefert. Um einen Einblick in die genaue Natur der beteiligten DNA-Läsionen zu ermöglichen, wurde dieses experimentelle System weiter verfeinert, indem eine effiziente Methode zum Einbau einzelner DNA-Basenmodifikationen in Vektor-DNA entwickelt wurde. Bei der Untersuchung verschiedenartiger synthetischer Basenmodifikationen fanden wir heraus, dass nur DNA-Läsionen, die über den Basen-Exzisions-Reparaturweg (BER) entfernt werden, fähig sind eine Genstilllegung zu verursachen und dass die Läsions-spezifischen DNA-Glykosylasen daran beteiligt sind. Diese Ergebnisse zeigen, dass sowohl DNA-Schäden als auch DNA-Reparatur an epigenetischen Mechanismen teilnehmen und somit funktionell bedeutend für die Regulation der Genexpression sind.Weitere Forschungsarbeit wird in folgende zwei Richtungen fortgeführt. Die erste ist die Untersuchung des molekularen Mechanismus der durch BER-Substrate initiierten transkriptionellen Stilllegung. Die Ziele werden sein, sowohl weitere Effektoren der schadensinduzierten Genstilllegung zu identifizieren als auch die kritischen biochemischen und strukturellen Veränderungen der DNA-Matrix nachzuvollziehen. Die zweite Richtung ist die Erforschung der Kapazitäten der DNA-Reparaturwege für die Entfernung von bereits vorhandenen DNA-Modifikationen, die anerkannte bzw. mutmaßliche epigenetische Funktionen innehaben. Anstoß dafür kam aus jüngsten Entdeckungen, die eine Zusammenarbeit von DNA-modifizierenden Enzymen mit DNA-Reparaturproteinen bei Prozessen der aktiven DNA-Demethylierung nachweisen konnten. Durch Oxidation der stabilen epigenetischen Modifikation 5-Methylcytosin entsteht dabei 5-Hydroxymethylcytosin, welches wiederum in reparierbare Pyrimidinderivate umgewandelt wird. Der positionsspezifische Einbau solcher DNA-Modifikationen in dafür angepasste Expressionsvektoren eröffnet Möglichkeiten diese chemischen Veränderungen am einzelnen Nukleotid nachzuverfolgen. Die Ziele sind daher, das Potential dieser modifizierten Pyrimidinbasen (eingefügt in ein regulatorisches Genelement) hinsichtlich einer epigenetischen Regulierung der Transkription zu ermitteln, sowie die Bedeutung von DNA-Reparaturmechanismen und in der Nachbarschaft auftretenden DNA-Läsionen für die Dynamik dieser Markierungen zu charakterisieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen