Lokale und zeitliche Kontrolle der DNA Doppelstrangbruchbildung in Keimzellen der Säugetiere durch das neu entdeckte Meiose-spezifische Protein ANKRD31

• Antragsteller: Professor Dr. Attila Tóth
• Fachliche Zuordnung: Zellbiologie ; Allgemeine Genetik und funktionelle Genomforschung
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 411774023

DNA Doppelstrangbrüche (DSB) sind eine wesentliche Ursache für Genominstabilität, pathologische Mutationen und Krebserkrankungen. Hunderte programmiert eingebrachter DSBs sind jedoch essentieller Teil der Meiose und dienen der Initiation homologenr meiotischer Rekombination. Die entstehenden Crossover sind für die Chromosomenseparierung und somit Bildung haploider Keimzellen unabdingbar. Störungen können Aneuploidien und Infertilität des Menschen hervorrufen, persistierende DSB sind genotoxisch. Daher muss die DSB-Bildung in Keimzellen einer strikten zeitlichen und räumlichen Kontrolle unterworfen sein. Im Keimzellgenom der Säuger existieren tausende Stellen potentieller DSB-Bildung, sog. hotspots. Diese hotspots sind durch tri-Methylierung von Lys-4 (H3K4me3) und Lys-36 (H3K36me3) des Histon H3, typisch für offenes Chromatin, gekennzeichnet, jedoch zeigen aktive Promoter und Gene die diese Modifikationen tragen keine hotspots. Wie unterscheiden sich aktive Promoter/Gene von DSB hotpots? Hotspots werden durch unterschiedliche Faktoren der homologen pseudoautosomalen Region (PAR) der X/Y-Chromosomen und anderer Genomregionen bestimmt. Positionen der nicht-PAR hotspots werden durch das Enzym PRDM9 determiniert, das die H3-Methylierungen katalysiert. Es wird angenommen, dass PRDM9 und diese H3-Methylierungen die Rekrutierung der DSB Maschinerie zu nicht-PAR hotspots ermöglichen, die zugrundeliegenden Mechanismen sind unklar. PAR-hotspot determinierende Proteine sind unbekannt, PRDM9 ist hier nicht erforderlich. Wir identifizierten ein bislang unbeschriebenes Meiose-spezifisches Protein, ANKRD31, das mit chromosomengebundenen DSB-bildenden Proteinen colokalisiert. Wir beobachteten, dass Aknrd31-defiziente Mäuse eine drastische Verzögerung der DSB-Bildung und eine anormale Verteilung der hotspots aufweisen. DSB bilden sich an typischen nicht-PAR Stellen, aber auch aberrant an aktiven Promotoren die H3K4me3 tragen. Auffällig ist eine drastische Reduktion von DSB in der PAR, das entsprechende Fehlen von X/Y-Crossover und Fehler der Chromosomensegregation dieser Spermatocyten. Unsere übergeordnete Hypothes lautet, dass ANKRD31 in der zeitlichen und lokalen Kontrolle der DSB-Bildung eine zentrale Rolle spielt. Diese Rolle gilt es zu analysieren. Wir werden u.a. die spezifische Hypothese testen, dass ANKRD31 die räumliche Verteilung der DSB hotspots durch lokale Regulierung der Chromatin- und Histonmodifikationen kontrolliert. Wir werden genetisch-phänotypische Analysen von Mausmutanten, Proteininteraktionsstudien (biochemische Analysen, Yeast-2-Hybrid-System), sowie ChIP verwenden um diese Fragen zu beantworten. Den bislang einzigartigen Phänotyp der ANKRD31-defizienten Mäuse und die zugrundeliegenden Mechanismen zu verstehen wird von zentraler Bedeutung für die Aufklärung der zeitlich-räumlichen Kontrolle der DSB-Bildung in der Säugetiermeiose sein.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen