Epigenetische Restrukturierung des sich entwickelnden Gehirns durch zeitgesteuerte nukleoläre Abschaltung

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Matthew Kraushar, Ph.D.; Professorin Dr. Helene Kretzmer; Dr. Michael Robson
• Fachliche Zuordnung: Entwicklungsneurobiologie ; Allgemeine Genetik und funktionelle Genomforschung ; Molekulare Biologie und Physiologie von Nerven- und Gliazellen
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 563470554

Während der Entwicklung wird das Gehirn aus einer Vielzahl von Neuronen aufgebaut, die aus neuronalen Vorläufern im Embryo entstehen. Eine immense Vielfalt von Neuronen bilden hierbei den Neokortex, eine evolutionär fortgeschrittene Gehirnregion, die spezifisch für Säugetiere ist. Der Mechanismus, der die verschiedenen neuronalen Subtypen im Neokortex spezifiziert, ist nach wie vor nicht vollständig bekannt, jedoch ist es evident, dass die zeitliche Regulierung der Genexpression im Zellkern ein Schlüsselmechanismus zur Kontrolle der neuronalen Identität ist. Unser SPP 2502-Projekt ist durch ein markantes Phänomen für die zeitlich genau abgestimmte Deaktivierung und Umstrukturierung des Genoms motiviert, das wir in unseren vorläufigen Daten entdeckt haben. Wir haben festgestellt, dass der Nukleolus, ein bestimmtes DNA-Kompartiment, das für die ribosomale RNA im Zellkern kodiert, innerhalb eines 24-Stunden-Zeitraums während der 7-tägigen Neurogenese im Neokortex von Mäusen rasch seine Aktivität verringert und sich auflöst. Die Abschaltung des Nukleolus geht mit einer Umstrukturierung der DNA einher, die sich an die Peripherie des Zellkerns, die so genannte Lamina, verlagert. Wir stellen hier die Hypothese auf, dass diese drastische Veränderung der Nukleolusaktivität das neuronale Schicksal durch eine Veränderung der Genomstruktur und folglich der Genexpressionsaktivität bestimmt. Unser Ansatz nutzt zwei neue Technologien, um dieses Entwicklungsfenster zu erfassen: die Quantifikation der Genexpressiondynamic im lebenden Embryo und die Evaluation der Veränderungen der Genomstruktur im Zellkern in Einzelzellauflösung. Unser erstes Ziel besteht darin, die globale Verlagerung des Genoms vom Nukleolus zur Lamina des Zellkerns zu verfolgen, zusammen mit Veränderungen der Genexpressionsaktivität auf Einzelzellebene. Das zweite Ziel besteht darin, festzustellen, wie sich die großflächige Verlagerung des Genoms an die Lamina in der 3D-Umstrukturierung und -Veränderung des Chromatins widerspiegelt. Das dritte Ziel besteht darin, die Aktivität des Nukleolus im Neokortex in vivo zu manipulieren, ihn vorzeitig zu inaktivieren oder seine Aktivität ektopisch zu verlängern, um seine Auswirkungen auf das neuronale Entwicklung direkt zu messen. Um diese Ziele zu erreichen, besteht unser Team aus einer effizienten Kombination von drei Labors, die über Fachwissen in den Bereichen Genexpressionskontrolle im Neokortex, Genomstruktur und -modifikation sowie innovativer Bioinformatik für Einzelzellen verfügen. Auf diese Weise wollen wir untersuchen, wie die zeitlich abgestimmte Nukleolusaktivität die Genomstruktur bestimmt, die Genexpression steuert und das neuronale Entwicklungsprogramm beeinflusst.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2502: EPIADAPT: Epigenomische Adaptationen des sich entwickelnden neuralen Chromatins