Erstellung einer dynamischen raum-zeitlichen Karte der Genexpressionsregulierung während der Differenzierung von intestinalen Stammzellen zu Enterozyten

• Antragstellerin: Dr. Nike Walther
• Fachliche Zuordnung: Allgemeine Genetik und funktionelle Genomforschung ; Biophysik ; Zellbiologie
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 453309976

Krebs und Entwicklungsstörungen zeichnen sich durch Transkriptionskontrollverlust und damit verbundener abnormaler Genexpression aus. Die Bestimmung des Zellschicksals zur Differenzierung und Bildung gesunder Gewebe wird durch eine präzise Genexpressionsregulierung während der Entwicklung sichergestellt. Hierbei binden Transkriptionsfaktoren (TFs) an cis-regulatorische DNA-Elemente, wodurch zelltypspezifische Genexpressionsprogramme zur Zelllinienspezifizierung ausgelöst werden. Im multizellulären Kontext sich entwickelnder Embryonen oder erneuernder adulter Gewebe wirken sich die Zellposition sowie Signale aus der Umgebung auf die Genexpression aus. Um die regulatorischen Mechanismen zur Bildung gesunder Gewebe zu verstehen, ist es daher essenziell, die zelltypspezifische Genregulierung in einem solchen multizellulären System räumlich und zeitlich aufzulösen.Im Darmepithel von Säugetieren diktiert eine räumliche Differenzierungshierarchie die gerichtete Bewegung sich differenzierender intestinaler Stammzellen (ISZs). Dünndarmorganoide der Maus rekapitulieren dieses Verhalten in vitro und stellen daher ein wohldefiniertes 3D-Gewebemodell zur Untersuchung der raumzeitlichen Genexpressionsregulierung während der Stammzelldifferenzierung dar. In diesem Antrag werden jüngste Entwicklungen supermoderner Genomanalysemethoden (Micro-C) mit Lichtblattmikroskopie zur Verfolgung lebender Zellen bis hin zu einzelnen Molekülen innerhalb eines Gewebes kombiniert, um die räumlichen und zeitlichen Dimensionen der Genexpressionsregulation während der Differenzierung in Darmorganoiden zu erforschen. Dieses Projekt adressiert die folgenden Ziele, wobei der Fokus auf dem Differenzierungsweg von ISZs zu nährstoffaufnehmenden Enterozyten liegt:1) Charakterisierung der zelltypspezifischen Chromatinorganisation im Darmepithel, um Veränderungen während der Differenzierung aufzuzeigen. 2) Langzeitaufnahme zellschicksalsbestimmender TFs und Korrelation mit der Expression von Zielgenen, um das dynamische Verhalten beider in Bezug zu Zelltyp und -position in Organoiden zu enthüllen.3) Dynamische biophysikalische und quantitative Charakterisierung von TFs in Bezug zu Zelltyp und -position in Organoiden, um datengesteuerte Modelle über genregulatorische Mechanismen der Zellschicksalsbestimmung abzuleiten.Aus dieser Arbeit wird die erste raumzeitliche Karte resultieren, die die Auslösung jener zelltypspezifischer Genexpressionsprogramme durch zelllinienbestimmende TFs beschreibt, die die Differenzierung von ISZs zu Enterozyten vorantreiben. Diese Arbeit wird weiterhin aufzeigen wie die Reorganisation des Chromatins, die Anzahl an TFs und deren Bindeverhalten an DNA die Zellschicksalsspezifizierung in der multizellulären Umgebung von Darmorganoiden moduliert. Des Weiteren wird diese Arbeit die technische Grundarbeit dafür leisten, zukünftige Studien zum Verständnis der Mechanismen, die Krankheiten während der Bildung und Erneuerung von Geweben hervorrufen, zu ermöglichen.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Dr. Xavier Darzacq; Professor Robert Tjian, Ph.D.