3D-Restrukturierung des Xist-Locus während der Initiation von X-Chromosomen-Inaktivierung

• Antragstellerin: Dr. Edda Schulz
• Fachliche Zuordnung: Allgemeine Genetik und funktionelle Genomforschung
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 508000619

Geneexpression in Säugern wird häufig durch weit entfernte Enhancer-Elemente reguliert. Dafür müssen diese Elemente in die Nähe des Promotors gebracht werden. Enhancer-Promotor-Kontakte finden meist in topologisch-assoziierten Domänen (TADs) statt, innerhalb derer Chromatin bevorzugt interagiert. Veränderungen der Genexpression sind oft assoziiert mit Änderungen der interne TAD-Struktur. Es werden verschiedene Mechanismen diskutiert, die eine solche intra-TAD-Kontaktänderungen bewirken sollem. In dem vorgeschlagenen Projekt werden wir systematisch mehrere dieser Hypothesen testen. Wir werden den Xist-Locus als Modell verwenden, welches den Prozess der X-Chromosomen-Inaktivierung steuert. Hierfür nutzen wir ein System in embryonalen Maus-Stammzellen (TX XXΔXic/XO), das wir kürzlich entwickelt haben und das eine hochauflösende Charakterisierung des Xist-Locus sowohl auf dem inaktiven X, welches Xist exprimiert, als auch auf dem aktiven X, wo Xist ausgeschaltet ist, ermöglicht. Mit Hilfe dieses Zellmodells haben wir herausgefunden, dass die interne Struktur der TAD, die den Xist-Promotor beherbergt, auf verschiedenen Ebenen moduliert wird, wenn Xist erstmals hochreguliert wird. In dem vorgeschlagenen Projekt werden wir auf unserer umfassenden Charakterisierung des TX XXΔXic/XO-Modells aufbauen. Wir werden bekannte Regulatoren von Chromatin-Kontakten messen und die dreidimensionale Genomstruktur mit hoher Auflösung quantifizieren. Anschließend werden wir mit Hilfe von Computermodellen und experimentellen Perturbationen mehrere alternative Hypothesen testen, wie die 3D-Struktur am Xist-Locus gesteuert werden könnte. Wir werden Polymersimulationen von Cohesin-vermittelter „Loop Extrusion“ durchführen und dabei folgende Annahmen testen: (1) Differentielle Bindung von CTCF, (2) bevorzugte Cohesin-Beladung an aktivierten Enhancern oder (3) lncRNA-Transkription als Extrusionsbarriere. Alle drei Hypothesen werden auch durch (epi)genomische Störungen mit dem CRISPR/Cas9-System getestet. Darüber hinaus werden wir die hochauflösenden Kontaktkartierungsdaten zur Identifizierung von Proteinen nutzen, die an interagierenden genomischen Regionen gebunden sind, um möglicherweise weitere Hypothesen zu formulieren. Schließlich werden wir die funktionellen Folgen der 3D-Strukturänderung untersuchen, indem wir die Transkriptionsänderung nach Perturbationen von 3D-Kontakten quantifizieren. Durch die Kombination einer Reihe modernster experimenteller und computergestützter Ansätze werden wir untersuchen, wie dynamische Veränderungen der Genomarchitektur während eines wesentlichen Entwicklungsprozesses reguliert werden. Die Ergebnisse werden über das Forschungsfeld der X-Inaktivierung hinaus von Bedeutung sein, da wir zum ersten Mal die relativen Beiträge verschiedener Mechanismen zur Dynamik von Chromatinkontakten an einem bestimmten Locus genau aufschlüsseln.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2202: 3-D-Genomarchitektur in Entwicklung und Krankheit