Epigenetische Kontrolle der Aktivität von Transkriptionsfaktoren
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die erfolgreiche Entwicklung komplexer Organismen hängt von der genauen Ausführung von Transkriptionsprogrammen ab. Durch die Bindung von Transkriptionsfaktoren (TFs) an cis-regulatorische Elemente (CREs) wird die genetische Information in geeignete Genexpressionsmuster umgesetzt. In Eukaryoten ist die DNA um Histone gewickelt, die eine physische Barriere darstellen, die eine ungewollte Bindung von TFs verhindert. Der Verdichtungsgrad des Chromatins wird durch verschiedene Prozesse, einschließlich posttranslationaler Modifikationen von Histonen und DNA, streng reguliert. Daher wird die Aktivität eines CREs durch die Interpretation seiner genetischen Information durch TFs sowie durch die epigenetischen Signale in seiner Chromatinumgebung bestimmt. Es wird allgemein angenommen, dass die Wechselwirkungen zwischen diesen beiden regulatorischen Ebenen ein Schlüssel zur präzisen Steuerung komplexer Genexpressionsmuster sind, die für die Entwicklung erforderlich sind. Die Mechanismen, durch die DNA- und Chromatinmodifikationen die Bindung von TFs beeinflussen, sind jedoch noch weitgehend unbekannt. Enhancer sind cis-regulatorische Elemente, die die Expression von Genen steuern, die am Erwerb der zellulären Identität während der Entwicklung und ihrer Aufrechterhaltung in gesunden Geweben beteiligt sind. Die DNA-Methylierung ist eine repressive epigenetische Markierung, die an über 80 % der Cytosine im Säugetiergenom vorhanden ist. An aktiven Enhancern ist die DNA-Methylierung auf 10-60 % reduziert. Diese unvollständige Demethylierung impliziert die Existenz epigenetischer Heterogenität an aktiven Enhancern in einer homogenen Zellpopulation. Das Vorhandensein von DNA-Methylierung an Enhancern könnte die Bindung von Transkriptionsfaktoren (TF) hemmen und deren Aktivität in der Fraktion von Zellen, in der sie vorkommt, verringern. Da die Bindung bestimmter TFs unempfindlich gegenüber DNA- Methylierung ist, könnte die verbleibende Methylierung für die Enhancer-Aktivität neutral sein. Um diese beiden Szenarien auseinanderzuhalten, haben wir Single Molecule Footprinting in embryonalen Stammzellen der Maus durchgeführt, um DNA-Methylierung, Chromatin-Zugänglichkeit und TF-Bindung an einzelnen DNA-Molekülen genomweit gleichzeitig zu quantifizieren. Anhand dieser Daten haben wir getestet, ob Chromatin-Zugänglichkeit und TF-Bindung an Enhancern auftreten können, wenn ihre Ziel- DNA-Moleküle methyliert sind. Bei den meisten Enhancern ist die Chromatinzugänglichkeit auf methylierten und unmethylierten Molekülen ähnlich hoch, was darauf hindeutet, dass ihre Aktivität unabhängig von der DNA-Methylierung ist. Wir haben jedoch eine Untergruppe von Enhancern identifiziert, die auf methylierten Molekülen eine reduzierte Zugänglichkeit aufweisen, was auf eine mögliche Regulierung dieser Loci durch DNA-Methylierung hindeutet. Diese Eigenschaft ist nicht nur bei embryonalen Stammzellen zu beobachten, sondern auch bei somatischen Zelllinien der neuronalen, myeloischen und erythroiden Abstammung, die ebenfalls methylsensitive Enhancer aufweisen. Eine genetische Störung der DNA-Methylierung führt zu antikorrelierten Veränderungen der Chromatinzugänglichkeit und der Bindung von Transkriptionsfaktoren an putativen methylsensitiven Enhancern, was auf eine direkte epigenetische Kontrolle der TF-Bindung an diesen Loci schließen lässt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass wir in mehreren Zelltypen Enhancer identifizieren, die durch DNA-Methylierung reguliert werden, und Zusammenhänge der direkten TF-Bindungshemmung feststellen, die eine mechanistische Grundlage für ihre epigenetische Regulierung bilden. Dies zeigt, dass die DNA-Methylierung nicht nur das Genom vor ungewollter Aktivierung schützt, sondern auch die Belegung von Transkriptionsfaktoren an Enhancern moduliert. Insgesamt trägt die vorgeschlagene Arbeit zu unserem Verständnis darüber bei, wie epigenetische Modifikationen zur Transkriptionskontrolle beitragen, indem sie den Zugang von TFs zu ihren Ziel-CREs im Zusammenhang mit der Wahl des Zellschicksals modulieren.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Genome-wide quantification of transcription factor binding at single-DNA-molecule resolution using methyl-transferase footprinting. Nature Protocols, 16(12), 5673-5706.
Kleinendorst, Rozemarijn W. D.; Barzaghi, Guido; Smith, Mike L.; Zaugg, Judith B. & Krebs, Arnaud R.
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Molecular Co-occupancy Identifies Transcription Factor Binding Cooperativity In Vivo. Molecular Cell, 81(2), 255-267.e6.
Sönmezer, Can; Kleinendorst, Rozemarijn; Imanci, Dilek; Barzaghi, Guido; Villacorta, Laura; Schübeler, Dirk; Benes, Vladimir; Molina, Nacho & Krebs, Arnaud Regis
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Studying transcription factor function in the genome at molecular resolution. Trends in Genetics, 37(9), 798-806.
Krebs, Arnaud R.
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Single-molecule footprinting identifies context-dependent regulation of enhancers by DNA methylation. Molecular Cell, 83(5), 787-802.e9.
Kreibich, Elisa; Kleinendorst, Rozemarijn; Barzaghi, Guido; Kaspar, Sarah & Krebs, Arnaud R.
