Definierung der repressiven, epigenetischen Regulationsmechanismen durch das E2 Ubiquitin- konjugierendes Enzym UBE2K und deren Auswirkung auf die Schicksalsentscheidung von Zellen und auf den Alterungsprozess eines Organismus

• Antragsteller: Professor Dr. David Vilchez
• Fachliche Zuordnung: Zellbiologie ; Biochemie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 264352640

Die Entwicklung und Überlebensdauer eines Organismus hängt von der Fähigkeit ab, die Integrität deren Proteoms (Proteostase) in den Zellen aufrechterhalten zu können. Humane embryonale Stammzellen (hES-Zellen) sind in Kultur unsterblich. Diese Fähigkeit kann nur aufrecht erhalten bleiben, wenn keine Störung der Proteostase vorliegt. Wir haben festgestellt, dass die Proteinkonzentration von UBE2K, ein Enzym das an der Ubiquitinierung von Proteinen involviert ist, in hES-Zellen erhöht ist. Bemerkenswert ist, dass UBE2K für die neuronale Differenzierung von hES-Zellen notwendig ist. Interessanterweise haben wir nachgewiesen, dass UBE2K an die Histone H3.3 bindet und ihre Ubiquitinierung reguliert. Außerdem verursacht der Verlust von UBE2K eine Veränderung in der epigenetischen Markierung von hES-Zellen durch die Trimethylierung von H3K9 (H3K9me3). Obwohl die Komposition von Histonen eine kritische Rolle bei der Gen-Aktivität spielt, sind die zugrundeliegenden molekularen Mechanismen für das einzigartige Chromatin-Muster von hES-Zellen noch weitgehend unbekannt. In diesem Projekt werden wir die molekularen Mechanismen identifizieren, durch die UBE2K die H3K9 Trymethylierung und die Neurogenese reguliert. Da während der Zell-Reprogrammierung die Chromatin-Struktur komplett remodelliert wird, werden wir überprüfen, ob Variationen in den Proteinexpressionswerten von UBE2K die Markierung von H3K9me3 in somatischen Zellen verändern können und somit deren Reprogrammierungseffizienz erhöhen können. Epigenetische Veränderungen sind nicht nur entscheidend für den Zellreifungsprozess, sondern sind auch ein Kennzeichen des Alterungsprozesses. Vor allem kann die Modulation der epigenetischen Markierung die Lebensspanne in Modelorganismen wie dem Fadenwurm C. elegans verlängern. Im Alterungsprozess findet eine Verringerung in den H3K9me3 epigenetischen Variationen statt. Diese Ergebnisse verweisen auf die Rolle von epigenetischen Deregulierung als maßgeblicher Faktor des Alterungsprozesses. Daher könnte die Identifikation von neuen Modulatoren der altern-assoziierten epigenetischen Veränderungen zu neuen Erkenntnissen des Alterungsprozesses führen. Interessanterweise haben wir beobachtet, dass der Verlust an UBE2K einen erhöhten H3K9me3 Methylierungsgrad in C. elegans verursacht. Wir werden untersuchen, ob die Modulation von UBE2K ausreichend ist um die Lebensdauer zu verlängern sowie die alters-assoziierten Verringerungen in H3K9me3 zu vermeiden. Schließlich werden wir ein RNAi Screening Prozess vornehmen, um die Methyltransferasen sowie andere Regulierer in vivo zu identifizieren, die für die H3K9 Trimethylierung durch UBE2K verantwortlich sind. Zusammen genommen kann dieser Forschungsantrag erhebliche Auswirkungen insbesondere auf die Bereiche der Stammzellenforschung, Zelltherapie, Alterungsprozess und alters-assoziierten Krankheiten haben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr. Alvaro Rada-Iglesias