Modulation der Genexpression durch Veränderungen der 3D-Chromosomenstruktur in E. coli

• Antragstellerin: Dr. Janina Müller
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen ; Biophysik
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 574221429

Bakterien müssen – wie alle lebenden Organismen – genau steuern, welche Gene ein- oder ausgeschaltet werden, um zu überleben und sich anzupassen. Üblicherweise wird diese Genregulation vor allem über Faktoren wie Promotorsequenzen und Transkriptionsfaktoren untersucht. Zunehmend wird deutlich, dass auch die 3D-Struktur des Chromosoms, d. h. die räumliche Anordnung und Faltung der DNA innerhalb der Zelle, eine zentrale Rolle in der Genregulation spielt. In diesem Projekt werde ich untersuchen, wie die räumliche Organisation des bakteriellen Chromosoms die Genexpression beeinflusst. Mein Projekt konzentriert sich auf Escherichia coli, einen weit verbreiteten Modellorganismus, und speziell auf die Region des Chromosoms in der Nähe des Replikationsursprungs, die Ursprungs-Makrodomäne. Die Struktur dieser Region wird durch das einfache MaoP/maoS-System geprägt, das aus einem einzigen DNA-bindenden Protein (MaoP) und seiner Zielsequenz (maoS) besteht. Aufgrund seiner Einfachheit eignet sich dieses System ideal für die Untersuchung der Beeinflussung der Genexpression durch Veränderungen der Chromosomenstruktur. Vorläufige Daten deuten darauf hin, dass die Genexpression in dieser Region verändert ist, wenn das MaoP/maoS-System deletiert wird. Wie genau die Chromosomenstruktur diese Veränderungen in der Genexpression auslöst, ist eine zentrale Frage, die dieses Projekt beantworten soll. Dazu werde ich molekularbiologische und Einzelzellmethoden kombinieren, die es ermöglichen, Genexpressionsdynamiken in einzelnen Bakterienzellen über die Zeit hinweg zu verfolgen. Dazu gehören die sogenannte “mother machine”, ein mikrofluidisches System zur Langzeitbeobachtung einzelner Zellen, sowie die Durchflusszytometrie. In der ersten Projektphase werde ich eine Bibliothek genetisch veränderter Stämme erstellen, die sowohl Mutationen in der Chromosomenstruktur als auch fluoreszente Reporter zur Messung der Genexpression enthalten. In der zweiten Phase untersuche ich, wie sich diese strukturellen Veränderungen auf die Expressionsmuster auswirken – mit besonderem Fokus darauf, wann und wie Gene in einzelnen Zellen an- oder abgeschaltet werden. Abschließend werde ich die Hi-C Technik anwenden, mit der physische Kontakte zwischen verschiedenen Bereichen des Chromosoms gemessen und die 3D-Chromosomenstruktur rekonstruiert werden können. Mithilfe dieser Technik werde ich untersuchen, wie die räumliche Organisation des Chromosoms und verschiedenen Genexpressionszuständen zusammenhängen. Durch die Kombination gezielter genetischer Veränderungen mit Einzelzellanalysen der Genexpression zielt dieses Projekt darauf ab, einen grundlegenden Mechanismus der Genregulation in Bakterien aufzudecken. Die Ergebnisse könnten zudem neue Ansätze in der Synthetischen Biologie eröffnen, indem sie zeigen, wie sich die Modifikationen der Chromosomenstruktur zur Regulation der Genaktivität nutzen lassen.

• DFG-Verfahren: Stipendium
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Philippe Cluzel, Ph.D.