Der Einfluss von Histon-Glykosylierung auf die Genexpression: Funktionelle Konsequenzen von N-Acetylglucosamin-Modifikationen auf Histon H2B

• Antragsteller: Dr. Felix Wojcik
• Fachliche Zuordnung: Biochemie ; Allgemeine Genetik und funktionelle Genomforschung ; Biologische und Biomimetische Chemie ; Organische Molekülchemie - Synthese, Charakterisierung
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 268261783

Die meisten, wenn nicht alle, biologischen Prozesse, darunter auch Krankheiten wie z.B. Krebs oder Diabetes, sind mit Veränderungen in der Genexpression verbunden. Daher nimmt die Frage nach den Mechanismen zur Regulation der zeit- und raumabhängigen Gentranskription einen zentralen Forschungsbereich in der molekularen Zellbiologie ein. Die Aufklärung dieser hochgradig komplexen Prozesse auf molekularer Ebene stellt eine große Herausforderung dar, die jedoch eine Vielzahl von wertvollen Erkenntnissen über die Funktionsweise von Vielzellern mit sich bringt und somit potentielle Wege für neue Behandlungsstrategien von Krankheiten ebnet. Chemische Modifikationen sowohl der DNA-Vorlage als auch der Proteine (Histone), welche die Kern-DNA packen, spielen eine zentrale Rolle bei vielen genregulierenden Prozessen und werden oft als der epigenetische Code bezeichnet. Aus der Vielzahl der bekannten posttranslationalen Modifikationen (PTMs) an Histonen, liegt im Rahmen dieses Projekts der Fokus auf der Histon-Glykosylierung, die erst vor Kurzem als ein neues Element bei der Regulierung der Genexpression identifiziert wurde. Um diese umweltbedingten epigenetischen Veränderungen und die dabei ablaufenden molekularen Prozesse zu erforschen, verfolgen wir einen semisynthetischen Ansatz zur Herstellung von natürlichen und glykomimetischen Histonen als Zugang zu neuem Designer-Chromatin.Der Fokus soll hierbei auf der biochemischen Beziehung zwischen GlcNAcyliertem Serin 112 (gH2B) und der Monoubiquitinylierung von K120 auf dem Histon H2B (uH2B) liegen. Wichtig in diesem Zusammenhang ist, dass die Modulation von uH2B direkten Einfluss auf die Lysin-Methylierung des Histons H3 (K4 und K79) nimmt. Diese Modifikationen stehen eng im Zusammenhang mit einer Genaktivierung, deren Fehlregulation mit Krankheiten wie z.B. Leukämie in Verbindung gebracht wird. Neue Studien konnten zeigen, dass uH2B (und somit auch die H3 Methylierung) durch gH2B reguliert werden. Weitere mechanistische Details über diese Regulation sind jedoch unbekannt. Mit Hilfe von chemisch definierten Designer-Chromatin-Arrays bestehend aus gH2B, uH2B und der Kombination dieser PTMs soll systematisch erforscht werden, wie diese die K4- und K79-Methyltransferase-Aktivität (Set1 und Dot1) steuern. Des Weiteren werden im Muir-Labor neu entwickelte biophysikalische Methoden eingesetzt um zu untersuchen wie und ob eine Glykosylierung des Histons H2B die Nukleosomstabilität und die Struktur von Chromatinfäden beeinflussen kann. Im letzten Teil des Projektes soll eine in vivo Markierungsstrategie basierend auf Protein-Transsplicing-Reaktionen entwickelt werden um so den Effekt der GlcNAcylierung auf Chromatin in lebenden Zellen zu studieren. Dieser innovative Ansatz soll es ermöglichen die zuvor erhaltenen in vitro Daten mit entsprechenden in vivo Daten zu vergleichen und bietet zudem die einmalige Möglichkeit neue Bindungspartner von glykosylierten Histonen direkt in lebenden Zellen zu identifizieren.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Tom W. Muir, Ph.D.