Relevance of heterochromatin topology in genome silencing during (retro) differentiation

Zelldifferenzierung ist von der korrekten Genexpression in Raum und Zeit abhangig. Da jede Zelle die gleiche DNA enthalt mussen epigenetische und Transkriptionsfaktoren diese streng kontrollieren. Schon kleine Abweichungen vom korrekten Differenzierungsprogramm konnen zu schweren Schaden bis hin zum Tod fuhren. Protein–DNA-Komplexe, genannt Chromatin, sind fur eine globale Form der Genregulation verantwortlich. Viele epigenetische Faktoren modifizieren DNA und Histone direkt, zum Beispiel durch das Anbringen von Methylierungs- und Azetylierungsmarkierungen, welche direkten Einfluss auf Chromatin-Kompaktierung und damit dessen Zuganglichkeit nehmen. Besonders dicht kompaktiertes Heterochromatin, welches hauptsachlich inaktive Gene enthalt, konnte einen negativen Expressionseffekt auf benachbarte Gene ausuben. In Mauszellen ist Heterochromatin in zwei Formen aufzufinden, als Cluster innerhalb des Nukleus (Chromocenter) und als dunne Schicht an der nuklearen Peripherie. Bisherige Studien, welche sich mit dem Einfluss von Heterochromatin auf die Genexpression befasst haben, kommen zu unterschiedlichen Ergebnissen. Manche Studien unterstreichen den repressiven Effekt von Heterochromatin auf die Genexpression, wahrend andere diesen Effekt nicht beobachten konnten. Diese gegensatzlichen Ergebnisse konnten auf methodische Unzulanglichkeiten in der Distanzmessung zuruckzufuhren sein. Chromatin unterliegt im Allgemeinen einer starken Umstrukturierung wahrend der Differenzierung. Dieser Punkt wurde in bislang publizierten Messungen haufig unbeachtet gelassen wird. Vor allem in Chromocentern findet eine ausgepragte Umstrukturierung von vielen kleinen Clustern zu wenigen grosen Clustern statt. Zusatzlich verandern sich die Grose und Form des Zellkerns, welches die Distanzmessungen zusatzlich beeinflusst. Im Rahmen der hier vorgestellten Arbeit habe ich eine Methode entwickelt, welche den Einfluss der Zellmorphologie auf die Distanzmessung korrigiert und einen unverfalschten Vergleich zwischen verschiedenen Zelltypen und Stadien ermoglicht. Mit dieser neuen Methode konnte ich die Distanzen von Gen zu Heterochromatin zwischen verschiedenen Pluripotenz- und Differenzierungsstadien vergleichen. Um den Einfluss von Heterochromatin-Reorganisation selbst zu erforschen, war es notig, diese vom Differenzierungsprozess zu entkoppeln. Dies wurde durch die ektopische Expression von Methyl CpG binding protein (MeCP2) ermoglicht, welches zu ahnlicher heterochomatischer Umorganisation wie in der Differenzierung fuhrt. Mit Hilfe bekannter und neuentwickelter Methoden war es mir moglich zu zeigen, dass die Position eines Genes im Verhaltnis zu Heterochromatin stark vom jeweiligen genetischen Umfeld des Genes abhangig ist. Genrepositionierung in Relation zu Chromocentern ist hingegen nicht an die Anderungen der Genexpression wahrend der Differenzierung gekoppelt. Im Gegensatz zu bereits veroffentlichten Hypothesen, konnte ich im Falle von Repositionierung zur Peripherie eine negative Korrelation zur Genexpression beobachten. Dies bedeutet, dass die Peripherie mehr einen aktivierenden als einen repressiven Einfluss haben konnte. Wurde die Chromatin-Reorganisation hingegen nur durch MeCP2 Expression ausgelost, wurde eine eine positive Korrelation zwischen Genexpression und Distanzanderung zu Chromocentern beobachtet. Dies unterstreicht den Effekt von Chromatin-Reorganisation auf Genexpression, welcher sonst von anderen Prozessen wahrend der Differenzierung uberdeckt wird. Auch in diesem Versuch konnte kein repressiver Einfluss der Peripherie auf die Genexpression gezeigt werden. Zusammengefasst lasst sich feststellen, dass konstitutives Heterochromatin (Chromocenter) in einigen Fallen einen repressiven Effekt auf die Genexpression ausubt, wahrend fakultatives Heterochromatin eine aktivierende Funktion besitzt.