Entschlüsselung Molekularer Mechanismen der Kernorganisation mittels Quantitativer Nanoskopie

• Antragsteller: Dr. Johannes Stein
• Fachliche Zuordnung: Biophysik ; Strukturbiologie ; Zellbiologie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 561460937

Eine zentrale Herausforderung der modernen Biologie ist es, die Beziehung zwischen höhergeordneten Genomstrukturen und der Genomfunktion zu verstehen. Während das Zusammenspiel zwischen der 3D-Chromatinstruktur und der Genregulation durch molekulare Komplexe vermittelt wird, ist unsere Fähigkeit diese Interaktionen räumlich zu untersuchen begrenzt. Genomics Ansätze stützen sich oft auf Populationsmittelwerte und verdecken die Heterogenität einzelner Zellen, während oft nur einzelne Ziele isoliert betrachtet werden. Kombinatorische Fluoreszenzbildgebung ermöglicht zwar die Untersuchung zahlreicher Ziele in einzelnen Zellen, ist aber in ihrer Auflösung begrenzt. Zur Überwindung dieser Limitierungen habe ich tokPAINT entwickelt, eine Technik, die Tokuyasu-Kryoschnitte mit DNA-PAINT-Superauflösungsmikroskopie kombiniert. TokPAINT erlaubt multiplexende Bildgebung auf Einzelproteinebene und das Zählen von Zielmolekülen in dichten Zellkompartimenten wie dem Zellkern. Dieses Forschungsprojekt hat zum Ziel neue Einblicke in zwei zentrale Prozesse der Genomorganisation bei Säugetieren zu liefern: i) die durch Cohesin vermittelte Chromatin-Loop-Extrusion und ii) die Chromatinorganisation um Nuclear Speckles („Kernsprenkel“), membranlose Strukturen, die sich durch Phasenseparation bilden. Das erste Projekt untersucht mit tokPAINT die Stöchiometrie und räumliche Verteilung von Cohesin-Komplexen, um grundlegende Fragen zur funktionellen Assemblierung von Cohesin zu beantworten. Durch präzise Quantifizierung von Cohesin- und CTCF-Interaktionen in 3D sowie Analyse weiterer regulatorischer Faktoren wird diese Arbeit neue Einblicke in die molekularen Mechanismen der Chromatin-Loop-Extrusion bieten. Das zweite Projekt erforscht die ultrastrukturelle Organisation von Nuclear Speckles und untersucht deren Form und Ultrastruktur bezüglich zentraler Komponenten wie SRRM2, SON und RNA-Polymerase II. Durch die Analyse der Interaktionen von Speckles mit Chromatin und deren Reaktion auf Transkriptionsinhibition sollen ihre regulatorischen Funktionen in der Genexpression beleuchtet werden. Technologisch wird tokPAINT durch automatisierte Fluidik und maschinelles Lernen für hochdurchsatzfähige Bildgebung sowie serielle volumetrische Rekonstruktion weiterentwickelt. Der Zellkern dient dabei als ideales Modellsystem für dichte Kompartimente und eröffnet die Möglichkeit, die Vorteile von tokPAINT auf ultradünne Schnitte von Geweben, Bakterien und Pflanzen zu übertragen. Dieses Forschungsvorhaben wird unser Verständnis der Genomorganisation vertiefen und neue Potenziale der Einzelprotein-Bildgebung zur Aufklärung biologischer Mechanismen aufzeigen. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse könnten wichtige Beiträge zur Aufklärung von Krankheiten wie Krebs und Entwicklungsstörungen leisten, die mit einer gestörten Genomorganisation verbunden sind, und neue Wege für therapeutische Ansätze eröffnen.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen
• Großgeräte: TIRF super-resolution microscopy setup (self-assembled)
• Gerätegruppe: 5040 Spezielle Mikroskope (außer 500-503)