Mechanismen zur Genpositionierung im Muskelzellkern

Das menschliche Genom ist im Zellkern durch verschiedene zelluläre Komponenten strukturell in Chromatinfasern und Chromatindomänen organisiert. Die drei-dimensionale Anordnung dieser Chromatinstrukturen innerhalb des Zellkerns und die dynamische Positionierung und Verankerung spezifischer Gene in bestimmten Bereichen des Zellkerns spielen eine wichtige Rolle bei der Regulation von Genen während der Zelldifferenzierung. Beispielsweise werden lange Genomabschnitte, die in bestimmten Zelltypen nicht gebraucht werden, durch Verankerung an die Kernhülle kompaktiert und dauerhaft stillgelegt. Einzelne Gene, die in bestimmten Phasen der Zelldifferenzierung inaktiv sind, aber in anderen Phasen aktiviert werden müssen, ändern ihre Position im Zellkern im Laufe der Zelldifferenzierung. Nicht aktive Gene werden an der Kernhülle verankert, während sie bei Aktivierung in die Zellkernmitte wandern. Die zellulären Komponenten und Mechanismen, die diese dynamische Positionierung der Gene im Zellkern vermitteln sind noch weitgehend unbekannt. In dieser Studie werden wir ein neues Muskelzellsystem entwickeln, mit dem wir Muskelvorläuferzellen zu Muskelfasern im Labor differenzieren können und dabei die Position und Wanderung von muskelspezifischen Genen im Zellkern beobachten können. Anschließendwerdenwir miteinerneuen molekularbiologischen Methode zur Genomveränderung systematisch über 30 verschiedene Komponenten der Kernhülle in diesem Zellsystem entfernen, und mikroskopisch den Einfluss auf die Positionierung der Gene im Laufe der Muskeldifferenzierung untersuchen. Damit können wir herausfinden, welcheKomponenten der Kernhülle muskelspezifischeGene in welchen Differenzierungsphasen an die Kernhülle verankern, und ob diese Verankerung zur Inaktivierung der Gene notwendig ist. Weiters werden wir untersuchen, wie die Verankerung der Gene an die Kernhülle, beziehungsweise ihre Loslösung bei Genaktivierung, reguliert wird. Wir wollen dabei herausfinden, ob die Verankerungskomplexe in der Kernhülle selbst hinsichtlich ihrer Menge und zellulären Lokalisation im Laufe der Muskelentwicklung reguliert werden, oder ob chemische Veränderungen in den Genen, die ihre Verpackung und Zugänglichgeit beeinflussen, für die Re-positionierung der Gene verantwortlich sind. Diese Studie wird wichtige Einblicke in die Regulation der Genposition durch Komponenten der Kernhülle im Laufe der Zelldifferenzierung liefern. Die gewonnenen Erkenntnisse können auch zum besseren Verständnis der molekularen Ursachen von genetischen Erkrankungen liefern, die durch Mutationen in Kernhüllenkomponenten verursacht werden. Dazu zählen Muskeldystrophien und das vorzeitige Altern Syndrom Progeria, wofür es noch keine effizienten Therapien aufgrund der mangelhaften Kenntniss der Krankheitsmechanismen gibt.

Mechanismen zur Genpositionierung während der Muskeldifferenzierung. Das menschliche Genom ist im Zellkern strukturell in Chromatindomänen organisiert. Die drei-dimensionale Anordnung dieser Chromatinstrukturen innerhalb des Zellkerns und ihre Verankerung in bestimmten Kernstrukturen, wie der Kernhülle, spielen eine wichtige Rolle für die Funktion des menschlichen Genoms. Beispielweise müssen verschiedene Gene in unserem Genom bei der Bildung von bestimmten Zelltypen aktiviert werden, andere deaktiviert und stillgelegt werden. Forscher haben gefunden, dass ganze Genomabschnitte, die inaktiv sind, bevorzugt an der Kernhülle verankert sind, während die aktiven Bereiche im Zellkerninneren liegen. Es ist aber noch weitgehend unklar, ob auch einzelne Gene diese spezifische Lokalisation zeigen und vor allem, wie diese Lokalisation bestimmt wird und bei der Bildung von unterschiedlichen Zellentypen verändert werden kann. In unserer Studie haben wir ein neues experimentelles Zellsystem entwickelt, das es uns erlaubt die Position von spezifischen Genen im Zellkern in lebenden Zellen zu beobachten. Wir untersuchten die Entstehung von Muskelzellen aus Muskelvorläufer Zellen im Labor außerhalb des Körpers. Bei der Bildung von Muskelzellen müssen Muskel-spezifische Gene aktiviert werden während die spezifischen Gene für Muskelvorläufer Zellen deaktiviert werden. Durch gentechnologische Methoden haben wir in diesen Zellen je ein Gen dieser zwei Gengruppen so verändert, dass wir diese Gene im Kern lebender Zellen mit mikroskopischen Methoden detektieren können, ihre Position im dreidimensionalen Raum des Kerns bestimmen können, und Änderungen in der Position während der Bildung von Muskelzellen beobachten können. Unsere Beobachtungen zeigen, dass Muskelzell-spezifische Gene von der Kernhülle in das Kerninnere wandern im Verlauf der Muskelzellbildung, während Vorläuferzell-spezifische Gene an die Kernhülle gebunden werden. Anschließend haben wir einige Komponenten der Kernhülle in den Zellen gentechnisch entfernt um herauszufinden, ob diese an der Verankerung von Genen an der Kernhülle beteiligt sind. Interessanterweise haben wir bei Deletion bestimmter Kernhüllkomponenten eine massive Umorganisation großer Genombereiche gefunden, aber die spezifische Verankerung von Genen an der Kernhülle war unverändert. Dies deutet auf unterschiedliche Mechanismen der generellen Genomorganisation und der spezifischen Genlokalisation im Zellkern hin. Unser neuartiges Zellsystem ist ein wertvolles Wekzeug um wichtige Einblicke in die Regulation der Genposition bei der Bildung von neuen Zelltypen zu liefern. Die gewonnenen Erkenntnisse können auch zum besseren Verständnis der molekularen Ursachen von mehreren genetischen Erkrankungen liefern, in denen die Regulation des Genoms gestört ist.