Nukleosomendynamik in Pflanzen nach Stresseinwirkung - SINUDYN

Die DNA eukaryotischer Organismen ist als Chromatin organisiert, mit der Grundeinheit der Nukleosomen. Die Histone im Zentrum der Nukleosomen sind hochkonservierte Proteine, die in mehreren Varianten vorkommen und spezifische post-translationale Modifikationen tragen können. Die Position und die Zusammensetzung der Nukleosomen sind wichtige Elemente der epigenetischen Information, die, zusammen mit der genomischen DNA, bei der Zellteilung und der sexuellen Vermehrung vererbt werden kann. Die DNA Sequenzinformation wird bei der Replikation weitgehend originalgetreu kopiert und bildet damit die konservativste Ebene der Vererbung. Dagegen kann die Anordnung, Zusammensetzung und Modifikation der Nukleosomen je nach Wachstum, Gewebe oder Zelltyp variieren, dabei Genexpressionsmuster beeinflussen und entscheidend zu Differenzierung und Entwicklung beitragen. Veröffentlichte Daten aus einem der Partnerlabore zeigen, dass es im Gegensatz zu diesen programmierten Veränderungen der Nukleosomen auch solche als Reaktion auf äußere Einflüsse gibt. So kann länger andauernder Hitzestress bei Pflanzen dazu führen, dass Nukleosomen weitgehend dissoziieren, was mit einer transkriptionellen Aktivierung sonst stillgelegter Gene und Transposons verbunden ist. Obwohl die Veränderungen der Genexpression nur vorübergehend sind, führen sie zu einer dauerhaften Veränderung der Heterochromatinstruktur in Kernen differenzierter Blattzellen. Die Wiederherstellung der Nukleosomen erfordert die Mitwirkung des Chromatin Assembly Factor (CAF) Komplexes, eines unter Eukaryonten konservierten Chaperons der Histone der H3/H4 Familie. Auf diesen Daten aufbauend wollen wir im Rahmen des beantragten Projektes die molekularen Prozesse während der Dissoziation und Re-Installation der Nukleosomen und die Art der bleibenden Veränderungen an der Organisation des Heterochromatins untersuchen. Wir wollen uns auf die Rolle der Histone H3/H4 Chaperone bei der Ablösung alter und Bereitstellung neuer Histone sowie den Austausch der H3 Varianten und deren Anreicherung im Chromatin konzentrieren. Außerdem wollen wir untersuchen, wie weit die hitzestressinduzierten Veränderungen auch meristematisches Gewebe betreffen. Letzteres ist von besonderer Bedeutung, da die Weitergabe umweltbedingter epigenetischer Veränderungen an nachfolgende Generationen zwar diskutiert wird, aber molekulare Daten weitgehend fehlen. Wir planen, die Erfahrung des einen Partnerlabors in der molekularen Analyse der Histonvarianten und der zytologischen Analyse nukleärer Organisation mit der Expertise des anderen Labors in der Untersuchung der Stresseffekte auf der Chromatinebene und der Analyse des Transkriptoms und der Nukleosomenanordnung zu kombinieren. Wir erwarten von diesem Projekt Einblick in die Mechanismen einer interessanten und bisher wenig untersuchten Ebene der epigenetischen Regulation und den potentiell möglichen Einfluss ungünstiger Umweltbedingungen auf die Vererbung zu bekommen. Die beiden Projektleiterinnen können erfolgreiche Zusammenarbeit durch gemeinsame Publikationen belegen und werden mehrere junge WissenschaftlerInnen an dem geplanten Projekt beteiligen. Diese erhalten damit eine ausgezeichnete Ausbildung in einem wissenschaftlich anregenden und gut ausgestatteten akademischen Umfeld.

Die Länge von DNA Molekülen übertrifft den Durchmesser von Zellkernen um mehrere Größenordnungen. Trotz der dadurch notwendigen Verdichtung muss die DNA für Genexpression, Replikation und Reparatur zugängig sein. An der Basis der räumlichen DNA Organisation im Kern steht die Umwicklung von Nukleosomen, kugelförmigen Proteinkomplexen aus 4 x 2 Histon-Untereinheiten. Die Position der Nukleosomen entlang der DNA, ihre Zusammensetzung und verschiedene chemische Modifikationen der Untereinheiten beinhalten wichtige epigenetische Informationen, die über die Zugänglichkeit der DNA und die Aktivität der Gene an entsprechender Stelle entscheidet. Anhand der Modellpflanze Arabidopsis wurde in dem FWF geförderten Projekt die Frage bearbeitet, ob und wie Hitzestress die Dichte und Position der Nukleosomen entlang des Genoms verändert. Tatsächlich führen erhöhte Temperaturen, die das Wachstum stoppen, zum Verlust von Nukleosomen an den Schaltern vieler Gene, und viele dieser Gene werden aktiviert. Darunter sind Transposons, mobile genetische Elemente, die bei normalen Temperaturen abgeschaltet bleiben. Hitzestress kann also eine Gelegenheit für deren Ausbreitung im Genom bieten. Hitzestress verursacht nicht nur veränderte Genaktivität, sondern auch Umstrukturierungen der ganzen Zellkernarchitektur. Mit Hilfe adaptierter Mikroskopietechnik, die das Verfolgen einzelner Kerne in lebenden Wurzelzellen über längere Zeit erlaubt, wurde gezeigt, dass die vorher spindelförmigen Kerne sich unter Hitzestress abrunden und dichte Chromosomenregionen sich auflockern. Die Installationen zur mikroskopischen Lebendbeobachtung sind auch für viele andere biologische Fragestellungen geeignet. Bemerkenswert ist die Beobachtung, dass die Pflanzen den Originalzustand wiederherstellen können, sobald der Stress vorbei ist. Das betrifft sowohl die reguläre Genexpression, die Nukleosomendichte und die Kernstruktur, welche nach der Erholungsphase alle denen der nicht gestressten Kontrollpflanzen gleichen. Die Ergebnisse zeigen, dass die beobachteten Veränderungen auf aktiven Anpassungsprozessen unter extremen Bedingungen basieren, die in Pflanzen aufgrund der sesshaften Lebensweise wahrscheinlich besonders wichtig sind. Ob die von außen ausgelösten Veränderungen in Pflanzenzellkernen unter bestimmten Umständen doch dauerhaft bleiben und auf die Nachkommenschaft vererbt werden können, ist eine offene und viel diskutierte Frage. Falls ja, müssen solche Effekte die Stammzellen betreffen, welche die Samen für die nächste Generation bilden. Versuche, diese wenigen Stammzellen zu isolieren und die epigenetische Information in ihnen zu charakterisieren, sind im Gang.