Kooperation zwischen Transposons und der DNA-Reparaturmaschinerie ihrer Wirtsorganismen

• Antragstellerin: Dr. Orsolya Barabas
• Fachliche Zuordnung: Biochemie ; Allgemeine Genetik und funktionelle Genomforschung ; Bioinformatik und Theoretische Biologie ; Strukturbiologie ; Zellbiologie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 397026574

Zwei gegensätzliche Kräfte kontrollieren die Evolution des Genoms. Zum einen, die DNA-Reparaturmechanismen, die es gegen genotoxische Einwirkungen schützen und, zum anderen, mobile genetische Elemente, die Sequenz und Genexpression modifizierenkönnen und, so die Plastizität des Genoms sichern und dessen Evolution und Adaption vorantreiben. Transponable Elemente (TEs) sind mobile DNA Fragmente innerhalb des Wirtsgenoms, die sich häufig durch einen 'Cut-and-Paste' Prozess bewegen, wobei erst das Transposon aus der Spender-DNA herausgeschnitten und dann an anderen Genloci eingebaut wird. Viele dieser Transposons kodieren eine Transposase (Tnpase), die drei katalytische, für die DNA-Spaltung verantwortliche Aminosäuren enthält (DD(D/E)). Dadurch wird ein Doppelstrangbruch (DSB) erzeugt, welcher zu einer Beeinträchtigung der Genomintegrität bis hin zum Absterben der Wirtszelle führen kann. Erstaunlicherweise wurden manche dieser Tnpasen, trotz ihrer potenziell schädlichen Auswirkungen, während der Evolution 'domestiziert' um programmierte Umstrukturierungen des Genoms durchzuführen, was die Bedeutung einer effizienten Reparatur der DSB in der Wirtszelle noch deutlicher macht. Um die zellulären Kontrollmechanismen der Genomstabilität und -plastizität zu verstehen, werden wir in diesem Projekt die molekularen Interaktionen zwischen DD(D/E)-Tnpasen und der DNA-Reparaturmaschinerie der Wirtszelle untersuchen. Wir konzentrieren uns dabei auf zwei bekannte Modellsysteme: (i) die Sleeping Beauty Tnpase (SB), welche oft für Gentransfer und Insertionsmutagenese-Screens bei Wirbeltieren verwendet wird und (ii) PiggyMac (Pgm), eine domestizierte piggyBac Tnpase, die gezielt TEs und Transposon-ähnliche, nicht-kodierende Sequenzen aus dem Paramecium-Genom entfernt. Interaktionen von mehreren Tnpasen - inklusive SB und Pgm - mit den DNA-Reparatur initiierenden Wirtsproteinen Ku70, Ku80 und DNA-PKcs wurden bereits nachgewiesen. Dies hat zu der Hypothese geführt, dass Tnpasesaktiv Faktoren rekrutieren um die DSB-Reparatur an den TE Schnittstellen zu unterstützen. Im Paramecium werden die Ku Proteine sogar benötigt um die Pgm-abhängige DNA-Spaltung zu erlauben. Daher könnte die Pgm/Ku Interaktion hier auch die optimale Kopplung von DNA-Spaltung und DSB Reparatur sicherstellen. Unser multidisziplinärer Projektplan adressiert (i) die Charakterisierung der Interaktionen von Tnpasen und Ku mittels modernster biochemischer, zellular- und strukturbiologischer Verfahren; (ii) die Untersuchung des funktionellen Einflusses der Interaktionen mittels Mutagenese; und (iii) die komparative Analyse konservierter Interaktionsmechanismen zwischen mehreren DD(D/E)-Tnpasen und Ku Proteinen mittels experimenteller und bioinformatischer Ansätze. Die hieraus hervorgehenden Erkenntnisseüber die Koordinierung von Transposition und DNA-Reparatur könnten zur zukünftigen Entwicklung zuverlässigerer Transpositionsinstrumente für biotechnologische und medizinische Anwendungen beitragen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Kooperationspartnerin: Dr. Mireille Bétermier