Biophysik von SMC Komplexen in der Organisation von Chromosomen und der Reparatur von DNA

• Antragsteller: Professor Dr. Johannes Stigler
• Fachliche Zuordnung: Biophysik ; Biochemie
• Förderung: Förderung seit 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 374605285

Chromosomen sind wichtig für die Speicherung genomischer Informationen. Darüber hinaus bilden sie das physische Gerüst für die Regulierung der Transkription und die Erhaltung des Genoms. Die dreidimensionale Organisation der Chromosomen ist ein wichtiger Aspekt in all diesen Bereichen. Interessanterweise sind Chromosomes nicht nur während der Mitose strikt organisiert, sondern auch während der Interphase. In Eukaroyten sind SMC-Komplexe, unter ihnen Cohesin, Condensin und Smc5/6, mitunter die wichtigsten Faktoren für die Chromosomenorganisation. Die meisten SMC-Komplexe interagieren mit einer Reihe von zusätzlichen regulatorischen Untereinheiten, und es ist möglich, dass sie durch diese Interaktionen eine Vielzahl von Funktionen erfüllen können. Der tetramerische Cohesin-Komplex ist beispielsweise für die Bildung von Chromatin- und DNA-Loops verantwortlich und bildet einen grundlegenden Baustein von Chromatin TADs (topologisch assoziierende Domänen). Darüber hinaus ist Cohesin für die Kohäsion zwischen Schwesterchromatiden bis zum Beginn der Anaphase verantwortlich. Wie genau diese Funktionen reguliert werden, ist unklar, aber es ist möglich, dass dies durch die Rekrutierung zusätzlicher Untereinheiten an das Tetramer, den Austausch von Untereinheiten oder durch posttranslationale Modifikationen geschieht. In ähnlicher Weise ist der Smc5/6-Komplex vor allem an Prozessen beteiligt, die mit der DNA-Reparatur zusammenhängen, aber wie bei Cohesin ist die genaue Funktionsweise sowie die Frage, wie genau die Komplexfunktion durch seine Untereinheiten reguliert wird, ungeklärt. In den ersten Jahren meiner Emmy-Noether-Gruppe haben wir damit begonnen, die Funktion von SMC-Komplexen auf Einzelmolekülebene zu untersuchen. Wir konzentrierten unsere Studien auf Cohesin und Smc5/6. Wir konnten zeigen, dass einzelne Cohesin-Komplexe mit Hilfe von Scc2/4 ATP-abhängig DNA-Loops bilden. Weiterhin konnten wir die Relevanz des "Elbow"-Motifs für die Faltung der SMC-Coiled-Coil-Arme nachweisen. Darüber hinaus haben wir gezeigt, dass Smc5/6 spezifisch an Stellen bindet, wo ssDNA und dsDNA nah beisammen sind, was mit seiner vorgeschlagenen Rolle als DNA-Reparaturprotein übereinstimmt. Hier schlage ich vor, die Auswirkungen der Untereinheiten Scc3 und Pds5 auf den Cohesin-Komplex zu untersuchen. Diese Einheiten sind höchstwahrscheinlich an der Regulierung des Komplexes beteiligt sind, jedoch sind die biophysikalische Auswirkungen jedoch kaum bekannt. Ausserdem schlage ich vor, einen potenziellen Mechanismus für die SMC-Motor-Funktion mit Hilfe eines Einzelmolekül-kraftspektroskopischen Ansatzes zu untersuchen. Drittens schlage ich vor, die Aktivierung der SUMO-Ligasefunktion von Smc5/6-Komplexen sowie die Wirkung der Nse5/6-Untereinheit auf den Mechanismus von Smc5/6 zu untersuchen. Zusammengenommen werden diese Experimente viele ungelöste Fragen über die Funktion von SMC-Komplexen bei der Chromosomenorganisation beantworten.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen