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Reconstitution of Chromosome Replication and Epigenetic Inheritance

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Funktionelle Chromosomen zur Charakterisierung der Chromatinreplikation aufbauen

Trotz der Hoffnung, dass die Epigenetik bessere medizinische Behandlungen bietet, bleiben die zugrunde liegenden molekularen Prozesse weitgehend uncharakterisiert. Das Projekt CHROMOREP arbeitet an funktionellen Chromosomen, die zeigen, wie die DNA-Replikation mit der Genexpression interagiert.

Grundlagenforschung

Wenn die Genetik von der Vererbung von DNA-Sequenzen handelt, geht es in der Epigenetik darum, wie die Expression dieser Sequenzen während der Zellteilung vererbt wird. Diese „Expressionsmuster“ von Genen helfen, vererbte Merkmale zu erklären. Der Schlüssel zur Epigenetik ist die Chromosomenreplikation, bei der DNA-Sequenzen genau kopiert und alle Faktoren dupliziert werden, welche die DNA verpacken und ihre Expression regulieren. Die genauen, diesen Kopierprozessen zugrunde liegenden molekularen Mechanismen sind jedoch noch weitgehend unbekannt. Das EU-unterstützte Projekt CHROMOREP stützte sich auf die bisherigen Erfolge des Teams bei der Wiederherstellung der eukaryotischen DNA-Replikation mit Hefe und untersuchte erstmals die Chromosomenreplikation mithilfe von gereinigten Proteinen. „Unser Ansatz bietet das bisher fehlende Instrument, um die Epigenetik zu untersuchen und mehr darüber zu erfahren, wie Chromatin die Initiierungsstellen und den Zeitpunkt der Replikation beeinflusst“, erklärt Projektkoordinator John Diffley vom Francis Crick Institute, dem Projektträger.

Epigenetische Vererbung

Auf zellulärer Ebene ist einer der wichtigsten Aspekte der Epigenetik die Vererbung von „Genexpressionszuständen“. Zwei Zellen können identische DNA-Sequenzen aufweisen, aber eine, wie beispielsweise eine Blutzelle, exprimiert unterschiedliche Gene für eine Hautzelle. Während viele genetische Ausdrücke dynamisch sind und in jedem Zellzyklus durch Transkriptionsfaktoren wiederhergestellt werden, bleiben einige über viele Generationen hinweg stabil – ein Phänomen, das als „epigenetische Vererbung“ bekannt ist. Bei der epigenetischen Vererbung werden die an DNA gebundenen Histonproteine zur Bildung von als Nukleosome bezeichneten Paketen während der DNA-Replikation zerstört. Die Histone werden dann zusammen mit etwaigen chemischen Modifikationen an derselben Position auf den DNA-Molekülen der „Tochter“-Stränge (Chromatiden) der DNA wieder abgelagert. Diese werden erzeugt, nachdem die Doppelhelix in zwei Einzelstränge getrennt und jeder Strang kopiert wurde. Die resultierenden Chromatiden stellen dann die Genexpressionsmuster wieder her.

Aufdeckung der genauen Mechanismen der Chromosomenreplikation

Das CHROMOREP-Team exprimierte sowie reinigte alle für die Chromosomenreplikation erforderlichen Proteine auf nackter DNA und rekonstituierte sie unter Verwendung ihrer Chromatin-Vorlagen. Sie konnten ungefähr 30 gereinigte Proteine zur Replikation von Chromatin kombinieren. „Die vollständigen Chromatin-Replikationsreaktionen sind angesichts der Anzahl von beweglichen Teilen außerordentlich komplex. Die Reinigung und Verwendung von 30 verschiedenen Proteinen gehört zur Spitzen-Biochemie“, sagt Diffley. Es wurde festgestellt, dass das vollständige Replisom zusammen mit einem als FACT bekannten Histon-Chaperon-Protein für das Team ausreicht, um eine Chromosomenreplikation zu erreichen. Dies wurde durch die Wiederablagerung der Histone auf den Tochterchromatiden belegt. Replisomen sind die für die DNA-Replikation verantwortlichen molekularen Mechanismen. Histon-Chaperone sind Proteine, die an die Histone binden und ein Vehikel für die Reise der Histone darstellen. „Da Histone stark positiv und DNA stark negativ geladen ist, müssen ihre Wechselwirkungen ‚überwacht‘ werden, um sicherzustellen, dass sie zur richtigen Zeit am richtigen Ort auftreten“, fügt Diffley hinzu. Durch die weitere Aufdeckung der Mechanismen bei der Chromosomenreplikation erwartet das Team, dass es in der Lage ist, genomweite Replikationsmuster wiederherzustellen, über Hefesysteme hinauszugehen und mit menschlichen Proteinen zu arbeiten. „Unsere Arbeit hilft bei der Erklärung der epigenetischen Vererbung auf molekularer Ebene und ergänzt die Arbeit anderer Forschender an ganzen lebenden Organismen. Entscheidend ist, dass wir durch den Aufbau funktioneller Chromosomen verstehen können, wie Probleme auftreten und zu Krankheiten wie Krebs führen“, erklärt Diffley.

Schlüsselbegriffe

CHROMOREP, Chromosom, Gen, DNA, Epigenetik, Protein, Zellen, Chromatid, Replisom, Histon, Replikation

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