Strukturelle Umlagerungen des Histonoktamers verändern DNA Position

• Antragsteller: Professor Dr. Mario Halic
• Fachliche Zuordnung: Strukturbiologie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 391636399

Das Verpacken von DNA in Chromatin reguliert den Zugang zum genetischen Material. Die Grundeinheit von Chromatin ist das Nukleosom. Das Nukleosom besteht aus 150 Basenpaaren (bp) DNA, die um ein Oktamer aus jeweils zwei Kopien der Histone H2A, H2B, H3 und H4 gewickelt sind. Nukleosomen sind sehr dynamisch und können sich entlang der DNA bewegen, entweder unkatalysiert oder gesteuert durch Remodeling-Enzyme. Das unkatalysierte Gleiten ist eine intrinsische Eigenschaft von Nukleosomen und ähnelt dem Gleiten das durch Chromatin-Remodeling-Enzyme erfolgt. In Zellen werden Nukleosomen mit Hilfe verschiedener Chromatin-Remodeler auf der DNA positioniert. Mutationen in Chromatin-Remodelern sind verbunden mit Krebs oder können Krebs sogar erzeugen. Dies zeigt was für eine große Bedeutung die richtige Nukleosomorganisation für die Genomstabilität hat. Abgesehen von der Wichtigkeit des Nukleosomremodelings, ist über die strukturellen Mechanismen der Translokation des Histonoktamers auf der DNA relativ wenig bekannt. Mittels cryo EM lösten wir die Strukturen des Nukleosoms mit unterschiedlicher Organisation des Histonoktamers und der DNA bei 4.3 A und 5.0 A. Wir fanden dass das Histonoktamer Konformationsänderungen durchläuft, die die generelle Nukleosomstruktur verzerrt. Umlagerungen der zentralen Histon a-Helices bewegen die DNA und induzieren eine Spannung, die die DNA verzerrt. Unsere Daten zeigen, dass das Histonoktamer plastisch ist und dass strukturelle Änderungen im Histonoktamer die Position der DNA verändern. Diese intrinsische Plastizität der Nukleosomen wird von Chromatinremodelern ausgenutzt und könnte auch von anderen Chromatin-assoziierten Proteinen verwendet werden. Unsere derzeitige Auflösung ist leider nicht ausreichend um eine Translokation der DNA auf dem Nukleotidlevel zu beobachten. In diesem Projekt ist unser Ziel, die Auflösung unserer jetzigen Strukturen zu verbessern um die Basen in der DNA zu erkennen (~3.5 A). Dies wird es uns ermöglichen einzelne Nukleotide in der DNA zu verfolgen und somit den Mechanismus der DNA-Translokation durch das Histonoktamer erklären zu können. Zusätzlich zu unseren gegenwärtigen Konstrukten werden wir auch Nukleosomen mit unterschiedlichen DNA-Sequenzen und mit mutagenen Histonen, die unkatalysiertes Nukleosomgleiten unterstützen, generieren. Anhand dieser Konstrukte möchten wir zusätzliche Konformationen erhalten, die die Zwischenstufen der DNA-Translokation durch das Histonoktamer zeigen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen