Forschungsthemen im Überblick

Struktur und Funktion des Transkriptionsregulators CbfA in Genexpressions-Netzwerken

Mitarbeiter: Annika Bilzer, Heike Dölz, Jörg Lucas, Dr. Oliver Siol

Heute ist bekannt, dass die dynamische Assoziation von Histonen und Nicht-Histon-Proteinen mit der genomischen DNA das grundlegende Prinzip in der Regulation der Genexpression in eukaryontischen Zellen darstellt. Dabei spielt die reversible, kovalente Modifikation von Histonen eine wichtige Rolle. Histone können auf verschiedene Weise modifiziert werden, z.B. durch Anbringen oder Entfernen von Acetylierungen, Methylierungen, Phosphorylierungen  oder Ubiquitinylierungen. Die dynamische Komplexität dieser Modifikationen (der "Histon-Code") ist essenziell für die Regulation von Genexpressions-Netzwerken und damit für die Integrität und Funktionalität von Zellen. Proteine, die regulierend in solche Netzwerke eingreifen sollen, müssen diesen Histoncode lesen und entsprechend modifizieren können. Fehlregulationen im Histon-Code können zu schweren Krankheiten, insbesondere Krebs, führen.

Dictyostelium discoideum ist ein eukaryontischer Mikroorganismus, der neben seinem einzelligen Dasein unter bestimmten Umweltbedingungen eine Vielzeller-Phase durchläuft, in der die Zellen in verschiedene Zelltypen differenzieren und zusammen arbeiten, um letztlich Sporen zu bilden. Der Übergang von der Einzeller- zur Vielzellerphase ist von einem profunden Umbau von Genexpressions-Netzwerken in den Zellen abhängig. Wir untersuchen ein Protein aus D. discoideum, das in der frühen Phase der multizellulären Entwicklung benötigt wird. Wir nennen dieses Protein C-Modul-bindenden Faktor, oder CbfA.

Das CbfA-kodierende Gen wurde in unserer Arbeitsgruppe biochemisch analysiert und das CbfA-kodierende Gen wurde kloniert. Das von der Gensequenz abgeleitete Protein enthält verschiedene Domänen, die vermuten lassen, dass CbfA eine Chromatin-modulierende Enzymaktivität besitzt. Das CbfA-Protein enthält eine so genannte "carboxyterminale Jumonji-Domäne" (JmjC). JmjC-Domänen findet man eineer ganzen Familie von potenziellen Chromatin-Regulatoren, die in allen Eukaryonten inklusive des Menschen vorkommen. Insofern könnte das Studium der JmjC-Funktion im CbfA-Protein aus Dicytostelium durchaus Modellcharakter für das Verständnis der Chromatinregulation durch JmjC-Proteine haben.

In anderen Arbeitsgruppen wurde mittlerwiese gefunden, dass JmjC-Domänen eine Enzymfunktion haben, die in der Lage ist, Methylgruppen von Lysinresten in Histonen oxidativ zu entfernen. Als Kofaktoren benötigen die JmjC-Domänen dafür Fe(II) und 2-Oxoglutarat. Der Reaktionsmechanismus beinhaltet eine Hydroxylierung der Methylgruppe im Methyllysin mit anschließender, spontaner Elimination von Formaldehyd (siehe Abbildung).



Wir interessieren uns für folgende Fragen:

1. Welche genetischen Netzwerke in Dictyostelium werden durch CbfA reguliert?
2. Welche Funktion hat die JmjC-Domäne in CbfA in diesem Zusammenhang?
3. Welche Bindepartner braucht das CbfA-Protein, um seine (Chromatin-modulierende?) Aktivität auszuführen?
4. Welche Funktionen haben andere Domänen von CbfA in der Genregulation?