Korrespondierender Autor

Prof. Dr. Thomas Jenuwein
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Developmental Biology • Evolutionary Biology • Genetics • Immunobiology • Infection Biology • Medicine

Research report (imported) 2013 - Max Planck Institute of Immunobiology and Epigenetics

Heterochromatin – Verpackungskünstler am Werk

Heterochromatin – packaging artists at work

Authors

Jenuwein, Thomas; Lachner, Monika; Roesch, Harald

Departments

Abteilung Epigenetik

Damit das zwei Meter lange DNA-Molekül in dem nur wenige tausendstel Millimeter großen Zellkern untergebracht werden kann, müssen lange Abschnitte sehr eng gepackt werden. Epigenetische Markierungen halten diese als Heterochromatin bezeichneten Abschnitte aufrecht. Die Forschungsgruppe um Thomas Jenuwein am Max-Planck-Institut für Immunbiologie und Epigenetik beschäftigt sich mit den molekularen Mechanismen, die für die Bildung von Heterochromatin notwendig sind. Das besondere Augenmerk liegt dabei auf der Histonmethylierung.
To fit the two-meter long DNA molecule into a cell nucleus that is only a few thousandths of a millimeter in size, long sections of the DNA must be strongly compacted. Epigenetic marks maintain these sections, known as heterochromatin. The research group, led by Thomas Jenuwein, at the Max Planck Institute of Immunobiology and Epigenetics investigates the molecular mechanisms necessary for the formation of heterochromatin. In particular, their research focuses on histone methylation.

Epigenetik: Genkontrolle durch Genomverpackung

Sind wir mehr als die Summe unserer Gene und wie können Umwelteinflüsse die Genexpression verändern? Antworten auf diese Fragen bietet eine neue zukunftsweisende Forschungsrichtung, die Epigenetik. Im Gegensatz zur Genetik beschäftigt sich die Epigenetik mit Ausprägungen, die nicht durch die DNA-Sequenz bedingt sind (Epigenetik = zusätzlich zur DNA-Sequenz). (Fast) alle Zelltypen (ca. 200) des Menschen besitzen zwar die gleiche genetische Information, verhalten sich jedoch sehr unterschiedlich in ihrer Umsetzung. So kann zum Beispiel eine Stammzelle nicht allein aufgrund der DNA-Sequenz erkannt werden und nur eines der beiden X-Chromosomen in weiblichen Zellkernen ist aktiv. Der DNA-Faden liegt nicht nackt im Zellkern vor, sondern ist über Proteinkugeln (Histone) verpackt und geschützt. Dieses DNA-Histon-Polymer wird Chromatin genannt. Ein hoher Verpackungsgrad (geschlossenes Chromatin oder Heterochromatin) legt Gene still, wogegen ein geringer Verpackungsgrad (offenes Chromatin oder Euchromatin) Genaktivität ermöglicht. Epigenetische Veränderungen, wie z. B. chemische Modifizierungen der Histone oder der DNA, erlauben plastische Übergänge zwischen diesen beiden Chromatinzuständen und somit die Herstellung einer Vielzahl epigenetischer Varianten unseres Genoms (Epigenom) (Abb. 1).

<strong>Abb. 1:</strong> <strong>Ein Genom, aber viele Epigenome.</strong> Während jedes Individuum nur ein Genom besitzt, finden sich in den untersch Bild vergrößern
Abb. 1: Ein Genom, aber viele Epigenome. Während jedes Individuum nur ein Genom besitzt, finden sich in den unterschiedlichen Zelltypen viele unterschiedliche Epigenome. Epigenetische Mechanismen wie z. B. Histonmodifizierungen (mod), DNA-Methylierung (Me) oder nicht-kodierende RNAs (ncRNAs) erlauben die Etablierung unterschiedlicher Chromatinzustände und damit die organisierte Nutzung der gespeicherten Information. [weniger]

Euchromatin und Heterochromatin: die zwei Gesichter des Chromatins

Basierend auf ihrem Verpackungsgrad kann man zwei Grundtypen des Chromatins definieren: Euchromatin und Heterochromatin. Im Euchromatin findet sich die Mehrzahl der Gene. Es trägt viele aktivierende Modifizierungen und ist somit relativ leicht zugänglich für die Transkriptionsmaschinierie. Im Gegensatz dazu enthält das Heterochromatin hauptsächlich repetitive Sequenzen, die nicht-kodierende RNA-Moleküle bilden können. Um die Transkription dieser Regionen gering zu halten, wird das Heterochromatin durch repressive chemische Modifizierungen dicht verpackt. Heterochromatin-Abschnitte liegen beispielsweise rund um die Zentromere und an den Chromosom-Enden, den Telomeren. Die Etablierung und Aufrechterhaltung dieses konstitutiven Heterochromatins ist äußerst wichtig für Zelltyp-Identität, Genregulation und eine korrekte Chromosomensegregation (Abb. 2).

<strong>Abb. 2:</strong> <strong>Die biologische Bedeutung von Heterochromatin. </strong>Heterochromatin in Mausfibroblasten bildet sogenannte heteroc Bild vergrößern
Abb. 2: Die biologische Bedeutung von Heterochromatin. Heterochromatin in Mausfibroblasten bildet sogenannte heterochromatische Foci. Intaktes Heterochromatin ist wichtig für Zellteilung und korrekte Genregulation. Defekte im Heterochromatin haben gravierende Konsequenzen wie z. B. genomische Instabilität und den Verlust von Zelltyp-Identität. [weniger]

Thomas Jenuwein und sein Team arbeiten seit zwei Dekaden an den molekularen epigenetischen Mechanismen, die die Bildung von Heterochromatin steuern. Im Jahr 2000 gelang der Forschungsgruppe mit der Identifizierung der ersten Histonmethyltransferase (Suv39h) eine bahnbrechende Entdeckung [2]. Diese Klasse von Enzymen versieht Histone an unterschiedlichen Stellen mit Methyl-Gruppen und beeinflusst dadurch die Chromatinstruktur. Neben den Suv39h-Enzymen kennt man zu diesem Zeitpunkt bis zu 14 weitere Kernkomponenten des Heterochromatins, die sowohl weitere Enzyme als auch strukturelle Proteine einschließen [3]. Dennoch bleiben viele offene Fragen, z. B.: Gibt es weitere Komponenten des Heterochromatins, was unterscheidet Euchromatin von Heterochromatin und welche Rolle spielen die nicht-kodierenden RNAs, die von den repetitiven Sequenzen gebildet werden? Im Folgenden werden zwei neue Studien der Arbeitsgruppe von Thomas Jenuwein zusammengefasst, die Antworten auf einige dieser Fragen liefern.

Eins, zwei oder drei: Lysin-Methylierung am Heterochromatin

Ines Pinheiro, Doktorandin im Jenuwein-Labor, hat zwei weitere Methyltransferasen entdeckt, die eine wichtige Funktion für die Aufrechterhaltung des Heterochromatins haben [4]. Prdm3 und Prdm16 sind Methyltransferasen, die an das Histon H3 in der Position Lysin 9 (H3K9) eine Methylgruppe anheften. Die beiden Enzyme waren bislang nur als Transkriptionsfaktoren bekannt, die die Aktivität verschiedener Gene regulieren. Wie wichtig Prdm3 und Prdm16 sind, zeigen Experimente, in denen beide Enzyme ausgeschaltet wurden. Das Heterochromatin bricht danach zusammen und die heterochromatischen Regionen können abgelesen werden (Abb. 3).

<strong>Abb. 3:</strong> <strong>Ohne Prdm3 und Prdm16 bricht das Heterochromatin zusammen. </strong>In Wildtyp-Mausfibroblasten liegt das Heterochrom Bild vergrößern
Abb. 3: Ohne Prdm3 und Prdm16 bricht das Heterochromatin zusammen. In Wildtyp-Mausfibroblasten liegt das Heterochromatin in sog. Foci vor. Diese lassen sich mit DAPI anfärben, aber auch mit Proben, die die zu Grunde liegenden repetitiven DNA-Sequenzen erkennen (major satellite repeats). Wenn die Histonmethyltransferasen Prdm3 und Prdm16 ausgeschaltet werden (Prdm3/Prdm16 kd), bricht diese Struktur des Heterochromatins zusammen. [weniger]

Dieser Zerfall des Heterochromatins erklärt sich aus einem sequentiellen Mechanismus für die Histonmethylierung am Heterochromatin: Prdm3 und Prdm16  heften eine Methyl-Gruppe an H3K9. Dieses einfach methylierte H3 (H3K9me1) wird in den Zellkern transportiert und in das Heterochromatin eingebaut. An das einfach methylierte Histon können dann andere Methyltransferasen wie Suv39h noch zwei weitere Methyl-Reste (H3K9me3) anfügen und das Heterochromatin so weiter stabilisieren. Die Freiburger Forscher beobachteten zudem, dass ohne Prdm3 und Prdm16 die Lamina des Zellkerns zerstört wird. Das Heterochromatin muss mit dieser Schicht aus Lamina-Proteinen unterhalb der Kernhülle verbunden sein. Die Ursache für die Beeinträchtigung der Lamina ist im Moment allerdings noch nicht geklärt. Es ist denkbar, dass dafür der Verlust des Heterochromatins oder auch die fehlende Methylierung eines Lamina-Proteins verantwortlich ist. Beide Hypothesen sind gegenwärtig Gegenstand von Forschungsprojekten.

Transkriptionsfaktoren: Berge und Täler im Heterochromatin

Aber nicht nur die Methylierung von Histonen ist für die Aufrechterhaltung von Heterochromatin-Regionen erforderlich. In einer weiteren Studie haben die Doktorandinnen Aydan Karslioglu und Valentina Perrera die Rolle von Transkriptionsfaktoren untersucht, also Proteinen, die an die DNA binden und die Aktivität von Genen kontrollieren – im Falle des Heterochromatins die Unterdrückung von nicht-kodierenden RNA-Molekülen [5]. Zwei davon sind demzufolge für ein intaktes Heterochromatin unverzichtbar: Pax3 und Pax9. Nur wenn diese beiden Transkriptionsfaktoren und ihre Bindungsstellen in der repetitiven DNA vorhanden sind, bleibt das Heterochromatin bestehen. Die Forscher gehen jedoch davon aus, dass auch noch weitere Transkriptionsfaktoren an repetitive Sequenzen im Heterochromatin binden können.

<strong>Abb. 4:</strong> <strong>Ein Transkriptionsfaktor-Modell für Heterochromatin</strong><b>. </b>Im Euchromatin und Heterochromatin sind die Bind Bild vergrößern
Abb. 4: Ein Transkriptionsfaktor-Modell für Heterochromatin. Im Euchromatin und Heterochromatin sind die Bindungsstellen für Transkriptionsfaktoren (TF) unterschiedlich angeordnet. Im Euchromatin häufen sie sich an bestimmten Stellen, im Heterochromatin sind sie zufälliger verteilt. Dies erlaubt eine fein abgestimmte Kontrolle der Genaktivität im Euchromatin (mRNA), während im Heterochromatin der Output an nicht-kodierender RNA (ncRNA) reguliert wird. [weniger]

Transkriptionsfaktoren kontrollieren also die Genaktivität sowohl im Euchromatin als auch im Heterochromatin. Trotzdem gibt es Unterschiede zwischen den beiden: Im Heterochromatin sind die Bindungsstellen relativ zufällig über den DNA-Strang verteilt, im Euchromatin dagegen häufen sie sich an den für die Genregulation wichtigen Stellen. Man könnte die Verteilung im Heterochromatin mit den Aiguilles Droites im Mont-Blanc-Massiv vergleichen: Viele kleine Gipfel ohne tiefe Täler dazwischen. Das Euchromatin gleicht eher dem Matterhorn: Ein hoher Gipfel ohne Nebengipfel. Ein wichtiger Unterschied zwischen Heterochromatin und Euchromatin liegt für die Forscher in der Kontrolle der Genaktivität und der Bildung von RNAs. Im Heterochromatin sind die Bindungsstellen für Transkriptionsfaktoren eher zufällig verteilt, so dass sie sich nicht synergistisch verstärken können. Die DNA kann deshalb dort nicht so abgestimmt abgelesen werden. Insgesamt überwiegen hemmende Einflüsse, die das Heterochromatin weitgehend abschalten. Im Euchromatin dagegen binden die Transkriptionsfaktoren so an die DNA, dass sie sich ergänzen. Dies erlaubt eine fein abgestimmte Kontrolle der Genaktivität (Abb. 4).

Literaturhinweise

1.
Allis, D.; Jenuwein, T.; Reinberg D.; eds., assisted by Caparros, M. L.
Epigenetics
2.
Rea, S.; Eisenhaber, F.; O'Carroll, D.; Strahl, B. D.; Sun, Z. W.; Schmid, M.; Opravil, S.; Mechtler, K.; Ponting, C.P.; Allis, C. D.; Jenuwein, T.
Regulation of chromatin structure by site-specific histone H3 methyltransferases
3.
Fodor, B.; Shukeir, N.; Reuter, G.; Jenuwein, T.
Mammalian Su(var) genes in chromatin control
4.
Pinheiro. I.; Margueron, R.; Shukeir, N.; Eisold, M.; Fritzsch, C.; Richter, F. M.; Mittler, G.; Genoud, C.; Goyama, S.; Kurokawa, M.; Son, J.; Reinberg, D.; Lachner, M.; Jenuwein, T.
Prdm3 and Prdm16 are H3K9me1 methyltransferases required for mammalian heterochromatin integrity
5.
Bulut-Karslioglu, A.; Perrera, V.; Scaranaro, M.; de la Rosa-Velazquez, I. A.; van de Nobelen, S., Shukeir, N.; Popow, J.; Gerle, B.; Opravil, S., Pagani, M.; Meidhof, S.; Brabletz, T.; Manke, T.; Lachner, M.; Jenuwein, T.
A transcription factor-based mechanism for mouse heterochromatin formation
 
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