Untersuchung der Epigenomerhaltung nach UV-Schäden
In den Zellen aller lebenden Organismen wird die Genaktivität durch eine Sammlung von Histonproteinen und chemischen Modifikationen der DNS gesteuert, die als Epigenom bekannt sind. Es ist jedoch nicht bekannt, wie sich epigenomische Modifikationen nach einer Schädigung der DNS selbst verändern oder wie sie die DNS-Reparatur unterstützen. „Das ist ein anspruchsvolles Forschungsgebiet, da das Epigenom mehrere Organisationsebenen umfasst, die alle potenziell durch DNS-Schäden beeinflussbar sind“, erklärt Sophie Polo(öffnet in neuem Fenster) vom Zentrum für Epigenetik und Zelldifferenzierung der Université Paris Cité und vom Nationalen Zentrum für wissenschaftliche Forschung(öffnet in neuem Fenster) (CNRS). „Außerdem können einige Epigenomveränderungen sehr flüchtig und daher schwer fassbar sein“, fügt sie hinzu. Im Rahmen des vom Europäischen Forschungsrat(öffnet in neuem Fenster) finanzierten Projekts REMIND versuchten Polo und ihr Team, diese Wissenslücke mithilfe einer breitangelegten, zeitaufgelösten Analyse der Epigenomveränderungen in menschlichen Zellen zu schließen, die UV-Schäden ausgesetzt waren. Das Ziel der Forschenden war, einige der molekularen Veränderungen zu finden, die zur Reparatur und Wiederherstellung des Chromatins, des Materials, aus dem die Chromosomen bestehen, beitragen.
Untersuchung der epigenomischen Auswirkungen von UV-Schäden
Das Team konzentrierte sich auf epigenomische Merkmale auf drei Ebenen in Säugetierzellen, die Einfluss darauf ausüben, ob Gene ein- oder ausgeschaltet werden: Histonproteine, die verändern, wie dicht oder locker die DNS gepackt ist, DNS-Methylierung, eine chemische Modifikation, die Gene stilllegen oder ausschalten kann, und Chromatinstrukturen höherer Ordnung, die funktionell unterschiedliche Regionen des Genoms definieren. In den projektinternen Laborstudien wurden Veränderungen auf diesen drei Ebenen nach der Exposition gegenüber ultravioletter Strahlung sowohl bei kultivierten menschlichen Zellen als auch bei Mäusezellen untersucht. Die Forschenden etablierten außerdem mehrere neuartige Methoden, mit denen sie Chromatin an Stellen der Reparatur von UV-Schäden einfangen konnten, bevor sie die damit verbundenen Proteine analysierten, die an Histon- und DNS-Modifikationen beteiligt sind. Sie konnten zudem die Dynamik von Epigenommerkmalen und -modifikatoren an Stellen mit UV-Schäden in Echtzeit nachverfolgen, wobei sie nach lokaler UV-Bestrahlung Lebendzellbildgebung einsetzten.
Mechanismen der Epigenomerhaltung während der DNS-Reparatur aufdecken
Im Rahmen des Projekts wurden mehrere wichtige Erkenntnisse über die Mechanismen gewonnen, die der Erhaltung des Epigenoms zugrunde liegen, darunter die Identifizierung von histonmodifizierenden Enzymen (die chemische Veränderungen vornehmen) und von Histonmodifikationsleseeinheiten (die chemische Veränderungen lesen). Diese werden zusammen mit Histon-Chaperonen, die die Dynamik alter und neuer Histone an den Reparaturstellen koordinieren, an die Orte der Reparatur von UV-Schäden gebracht. Das Team deckte ein wichtiges Zusammenspiel zwischen histonmodifizierenden Enzymen und Histonablagerungen zum Schutz der Integrität von Chromatin höherer Ordnung auf, und analysierte außerdem die Erhaltungsmaschinerie hinter der DNS-Methylierung an Stellen, an denen UV-Schäden repariert werden. „Sowohl die Erkenntnisse neuerer Art als auch die innerhalb dieses Projekts entwickelten Methoden sind für die wissenschaftliche Gemeinschaft, die sich mit der Genom- und Epigenomstabilität beschäftigt, von großem Interesse“, berichtet Polo. „Unsere Ergebnisse erweitern unser Wissen über die Erhaltung des Epigenoms nach DNS-Schäden auf mechanistischer Ebene.“
Mögliche Auswirkungen auf Alterung und Krebs
Die im Zuge des Projekts REMIND entwickelten neuen Methoden können weiter erkundet werden, um andere epigenomische Merkmale oder Chromatinkomponenten als Reaktion auf UV-Schäden oder andere schädliche Prozesse zu untersuchen. „Ein tieferes Verständnis der Akteure, die an der Erhaltung des Chromatins nach DNS-Schädigung beteiligt sind, könnte Strategien eröffnen, um den schädlichen Auswirkungen der Chromatinstabilität entgegenzuwirken, die bei Alterung und Krebs beobachtet werden“, merkt Polo an. Das Team wird seine Arbeit fortsetzen, um Veränderungen der Histonmodifikation und deren Funktionen während der Reparatur von UV-Schäden zu erforschen. „Wir werden gleichermaßen unseren Horizont erweitern, indem wir die Rolle von RNA und RNA-Modifikationen bei der Reaktion auf UV-Schäden untersuchen.“
