Regulierung der Expression von Maus-Histondeazetylase 1

Die DNA eukarytischer Zellen ist als Chromatin organisiert. Die kleinste Einheit des Chromatins ist das Nukleosom, in dem die genomische DNA um ein Oktamer von Histonen gewunden ist. Diese Organisation erlaubt nicht nur die Verpackung der DNA, sondern ermöglicht auch den Zugriff auf das Erbmaterial zu regulieren. Azetylierung der N-terminalen Enden der Histone führt zur Auflockerung der Chromatinstruktur und erleichtert auch den Zugang für große Proteinkomplexe wie den der Transkritionsmaschinerie. Der Azetylierungszustand der Histone wird durch zwei Klassen von Enzymen, den Histonazetyltransferasen und den Histondeazetylasen kontrolliert. Während Azetyltransferasen durch ihre Aktivität Chromatin transkriptionell kompetent machen und dadurch die Voraussetzung für die Initierung der Transkription schaffen, sind Histonedeazetylasen an der Repression der Genexpression beteiligt. Unser Labor ist an der biologischen Rolle einer bestimmten Histondeazetylase, der HDAC1, interessiert. Ursprünglich wurde das Enzym von unserer Gruppe in einem Screen für wachstumsregulierte mRNAs in T-Zellen der Maus identifiziert. Die Expression von HDAC1 wird signifikant erhöht, wenn ruhende Mauszellen zum Eintritt in den Zellzyklus stimuliert werden. Kürzlich erhaltenen Resultate aus unserem Labor (FWF Projekt P 13068) weisen nun darauf hin, daß HDAC1 eine wichtige Rolle für die ungestörtes Wachstum von embryonalen Stammzellen notwendig ist. Weiters ist die Funktion des HDAC1-Gens Voraussetzung für die Embryonalentwicklung der Maus. Diese Daten unterstreichen die Wichtigkeit des Enzyms für Wachstum und Differenzierung. Nicht nur Fehlen von HDAC1, sondern auch Überexpression des Enzyms in Fibroblasten hat fatale Konsequenzen für das Zellwachstum. Daraus schließen wir, daß genaue Kontrolle der Expression von HDAC1 für die Zelle und den Organismus wichtig ist. In diesem Projekt wollen wir daher die Kontrollmechanismen, die die Expression dieses Enzyms regulieren, studieren. Wir haben Hinweise, daß HDAC1 sogar seine eigene Expression beeinflußt, wodurch zu hohe oder zu niedrige Enzymspiegel vermieden werden können. Wir haben den Promotor de HDAC1-Genes der Maus isoliert und werden seine Regulation durch Wachstumfaktoren, Inhibitoren der Histondeazetylaseaktivität und Aktivatoren der Signalkaskade der MAP-Kinasen genauer untersuchen. Die Kenntnisse der regulatorischen Mechanismen, die die Expression der HDAC1 regulieren, könnten auch deshalb von Nutzen sein, da Inhibitoren von Histondeazetylasen als Hemmer des Zellwachstums von Tumorzellen auch eine Anwendung in der Krebstherapie haben.

In diesem Projekt haben wir untersucht, wie die Verpackung unserer Gene das Ablesen derselben beeinflusst und wie die Zelle durch Öffnen der Verpackungsstruktur den Zugang zu bestimmten Genen ermöglicht. Die Organisation des Erbmaterials in Chromatin ermöglicht es, den ein bis zwei Meter langen DNA-Faden in den Zellkern zu packen. Die kleinste Organisationseinheit des Chromatins sind die Nukleosomen, kugelähnliche Strukturen, in denen die DNA um Histon-Proteine gewickelt sind. Ein Nachteil dieser Verpackung ist die Zugänglichkeit der DNA, die zum Beispiel für das Ablesen der Gene, die sogenannte Transkription notwendig ist. Modifikation der Histone durch Azetylierung führt zu einer Öffnung des Chromatins und einer Erleichterung der Transkription. Wir können hier zeigen, daß eine weitere Modifizierung, nämlich die Phosphorylierung der Histone, ebenfalls die Ablesung bestimmter Gene ermöglicht. Azetylierung und Phosporylierung wirken wie Signale, die der Zelle zu erkennen geben, welche Gene abzulesen sind. Der Wachstumszustand der Zellen, der von der Verfügbarkeit von Nährstoffen bestimmt wird, ob diese Signale aktiviert werden. Schließlich konnten wir zelluläre Faktoren identifizieren, die an der Regulation dieser Signale beteiligt sind.