Untersuchung aktiver Histonmarkierungen als Barrieren für Zelltypreprogrammierung

• Antragstellerin: Dr. Eva Hörmanseder
• Fachliche Zuordnung: Entwicklungsbiologie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 494710866

Die Eier von Wirbeltieren haben die bemerkenswerte Fähigkeit, die Reprogrammierung somatischer Zellkerne zu induzieren, um die Produktion aller Zelltypen eines Organismus nach Nukleartransfer zu ermöglichen. Diese Fähigkeit, alle Zelltypen zu erzeugen, wird als Totipotenz bezeichnet. Während des Nukleartransfers muss das Gedächtnis der Zellen vollständig gelöscht werden, um eine effiziente Reprogrammierung und die konsequente Erzeugung von totipotenten Zellen zu ermöglichen. Dies hat grundlegende Auswirkungen auf die regenerative Medizin, da Fortschritte beim Verständnis der molekularen Mechanismen der Reprogrammierung zur Totipotenz die Erzeugung jeglicher Zelltypen ermöglichen könnten, die für Zellersatztherapien benötigt werden. Trotz ihres enormen Potenzials sind die molekularen Mechanismen, die die Umwandlung einer differenzierten „Spender“-Zelle in die Totipotenz ermöglichen oder verhindern, noch nicht vollständig verstanden. Zuvor zeigte meine Forschung, dass die geringe Effizienz der Umwandlung von Zellschicksalen über Nukleartransfer mit der Beibehaltung des zelltypspezifischen Gedächtnisses eines aktiven Transkriptionszustands verbunden ist, der durch spezifische Histonmodifikationen, nämlich die H3K4-Methylierung, stabilisiert wird. Es ist jedoch noch unbekannt, inwieweit das „aktive“ transkriptionelle Gedächtnis die Reprogrammierung durch NT behindert oder erleichtert. Das übergeordnete Ziel dieses Projektantrages ist es, die Rolle aktiver Histonmodifikationen bei der Stabilisierung differenzierter Zellschicksale zu untersuchen, sowie deren Funktion als Barrieren für eine effiziente Programmierung zu identifizieren. Dazu werden Xenopus Nukleartransfer-Embryonen als Modellsystem verwendet. Konkret schlagen wir in dem hier vorgestellten Projekt folgende Forschungsziele vor: 1) Entwicklung von „Digital Reprogramming“, und zwar eines neuartigen Ansatzes basierend auf Maschinelles Lernen, um mögliche aktive Histonmodifikationssignaturen als epigenetische Barrieren für die Reprogrammierung vorherzusagen. 2) funktionelle Charakterisierung solcher Kandidaten aktiver Histonmodifikationen, indem untersucht wird, ob die Umwandlung des Zellschicksals bei NT nach experimentellen „loss-of-function“ Ansätzen verbessert wird. Die Untersuchung, ob aktive Histonmodifikationen während der Reprogrammierung als epigenetische Barrieren wirken können, wird es uns ermöglichen, diese Barrieren zu manipulieren und zu senken. Dieses Wissen wird der Schlüssel sein, um die Reprogrammierungseffizienz zu verbessern und einen robusten und vollständigen Wechsel des Zellschicksals zu ermöglichen. Die entwickelten Werkzeuge und die Analyse epigenetischer Mechanismen, die eine Reprogrammierung des Zellschicksals verhindern, werden entscheidende Einblicke in die Mechanismen des zellulären Gedächtnisses geben, die unerwünschte Veränderungen des Zellschicksals während der Entwicklung verhindern und oft im Krankheitsfall beeinträchtigt sind.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen