Räumliche Struktur transkribierter Gene in Säugerzellen

• Antragstellerin: Irina Solovei, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Allgemeine Genetik und funktionelle Genomforschung ; Zellbiologie
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 422388934

Mit dem aktuellen Antrag möchte ich mein Projekt im Rahmen des SPP2202, das sich mit der räumlichen Struktur von transkribierten eukaryotischen Genen befasste, fortsetzen. Wir untersuchten lange, hoch exprimierte Gene als Modelle und zeigten die Ausdehnung transkribierter Gene von ihrem Locus und die Bildung sogenannter Transkriptionsschleifen (TS) mit Polymerasen, die sich entlang der Schleife bewegen und naszierende RNAs tragen. Auffallend ist, dass sich TS über Mikrometer ausdehnen, was gegen die gängige These spricht, dass Interphasenchromatin ein gelartiges, festes Material ist. Ausdehnung und Form der TS deuten auf ihre intrinsische Steifheit hin, die wir auf dichte Dekoration hochexprimierter Gene mit voluminösen Ribonukleoproteinen (nRNPs) zurückführen. Die Steifheitshypothese wurde erfolgreich experimentell und durch Polymermodellierung exprimierter Gene getestet. Unsere Daten widersprechen dem gängigen Modell der Transkriptionsfabriken und deuten darauf hin, dass mikroskopisch auflösbare TS zwar spezifisch für lange, hochexprimierte Gene sind, die grundsätzlichen Mechanismen ihrer Entstehung jedoch einen allgemeinen Aspekt der eukaryotischen Transkription darstellen könnten. Die Arbeit wurde in Nature Cell Biology (2022) veröffentlicht. Die bisherige Arbeit warf neue Fragen zur eukaryotischen Transkription auf, die ich in der neuen Förderperiode angehen möchte. (1) Laut kanonischer Ansicht werden Introns strikt co-transkriptionell, also direkt nach dem Ablesen herausgeschnitten. Anhand des Tg-Gens möchte ich die Rate des co-transkriptionellen Spleißens bei hoher Transkription untersuchen. (2) Bisher wurden TS mit Hilfe von FISH und Immunfärbung in fixierten Geweben oder Zellen beobachtet. Indem ich nRNAs der Ttn- und Cald1-Gene über das MS2-MCP System markiere, plane ich, die räumlich-zeitliche Dynamik von TS und transkriptionellem Bursting in-vivo zu untersuchen. (3) Über die Struktur von nRNPs und mRNPs ist aufgrund ihrer geringen Größe sehr wenig bekannt. Basierend auf vorläufigen EM-Daten plane ich, nRNPs und die 3D-Struktur von TS, die von Ttn in Myotubes gebildet werden, mit Hilfe korrelativer Mikroskopie (cryo-CLEM) und Cryo-EM-Tomographie zu untersuchen. (4) Das Lehrbuchwissen, dass Chromosomenterritorien das Hauptmerkmal eines Interphasenkerns sind, wird durch unsere Arbeit nicht bestätigt, was darauf hindeutet, dass Territorialität nur eine Folge der vorangegangenen Mitose ist. Um diese Frage zu klären, plane ich, die Territorialität durch Oligofärbung von Chromosomen in Zellen zu untersuchen, die sich durch die Dauer ihrer postmitotischen Phase unterscheiden. (5) Außerdem plane ich, das Tg-Gen als Modell für eine starke und robuste Transkriptionssteigerung zu untersuchen. Insbesondere möchte ich die zirkadiane Rhythmik des Tg-Gens und die Intron-Retention in Tg-Transkripten als mögliche Mechanismen für die Trennung von exokrinen (Thyreoglobulinsekretion) und endokrinen (Hormonproduktion) Aktivitäten in Thyreozyten testen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2202: 3-D-Genomarchitektur in Entwicklung und Krankheit