Mechanik des kondensierten Chromatins und seine Abhängigkeit von der ChromatinRemodellierung

• Antragsteller: Professor Dr. Felix Müller-Planitz; Professor Dr. Johannes Stigler
• Fachliche Zuordnung: Biophysik
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 577467251

Chromatin bildet das Gerüst für die Aufrechterhaltung und Weitergabe von Erbinformationen sowie für die Expression und Regulation von Genen. Chromatin besitzt drastisch unterschiedliche mechanische Eigenschaften auf unterschiedlichen Längenskalen. Auf der ~100 kbp-Skala ist Chromatin mechanisch flüssig. Dies ermöglicht dynamische Kontakte zwischen weit entfernten genomischen Regionen sowie Zugang für molekulare Maschinen. Die mechanischen Eigenschaften von Chromatin sind daher eng mit seiner biologischen Funktion verknüpft. Es ist unklar, wie die mechanischen Eigenschaften von Chromatin auf molekularer Ebene kodiert werden. Transiente Wechselwirkungen zwischen Nukleosomen spielen sicherlich eine entscheidende Rolle. Ein dynamisches Netzwerk dieser Inter-Nukleosom-Wechselwirkungen liefert ausreichende Haltekräfte, durch die Chromatin biologische Kondensate bildet. Die Identität, die Stärke und die Lebensdauer dieser Wechselwirkungen sind jedoch nicht bekannt. Auch ist die Nukleosomenorganisation im Chromatin nicht statisch. Seine Zusammensetzung und Struktur werden stetig durch molekulare Prozesse moduliert, vor allem durch ATP-abhängige Chromatin-„Remodeler“. Diese Enzyme haben die Fähigkeit, Nukleosomen zu verschieben, und dadurch direkt die Struktur des Chromatins auf dem molekularen Level zu verändern. Daher kann man davon ausgehen, dass sie den materiellen Zustand des Chromatins beeinflussen. Der Zusammenhang zwischen Remodeling und Chromatinmechanik bleibt aber gegenwärtig unverstanden. Remodeler können die Materialeigenschaften von Chromatin auch einfach durch Bindung an Nukleosomen beeinflussen. In unseren Vorarbeiten zeigten wir, dass der Remodeler ISWI ATP-Hydrolyse benötigt, um sich durch kondensiertes Chromatin zu bewegen. Ohne ATP-Hydrolyse überbrückt ISWI zwei Nukleosomen auf benachbarten Chromatinfasern durch multivalente Bindung, was zu einer massiven mechanischen Verhärtung des Chromatins führt. Wir haben diese Ergebnisse mit einem „Monkey-Bar“-Bewegungsmodell für ISWI erklärt. Direkte strukturelle und funktionelle Beweise für das Monkey-Bar Modell fehlen jedoch. Ebenfalls ist unklar, ob das Monkey-Bar Modell auch für andere Remodeler als ISWI gilt. In diesem Projekt werden wir Einzelmolekülmethoden, Mikromanipulation, strukturelle Methoden und Modellierung einsetzen, um das Monkey-Bar Modell experimentell zu überprüfen. Weiterhin werden wir ermitteln, wie die Nukleosomenarchitektur die Chromatinmechanik bestimmt und wie Remodeling die mechanischen Eigenschaften des kondensierten Chromatins beeinflusst. Die Ergebnisse werden einen entscheidenden Einblick in die grundlegende Verbindung zwischen Remodeling, der molekularen Zusammensetzung von Chromatin und seinen biologisch relevanten physikalischen Eigenschaften auf der Mesoskala ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen