10.02.2021

Informationen im Zellkern müssen zugänglich bleiben

Eine aktuelle Studie von Forscher/innen der ÖAW nahm den sogenannten BAF-Komplex – er ist für die Zugänglichkeit der im Zellkern gut verpackten DNA zuständig – in den Blick. Tumorerkrankungen gehen oft mit partiellen BAF-Mutationen einher, die die korrekte Steuerung des „Lesemodus“ stören. In Nature Genetics wurden die Ergebnisse der umfassenden BAF-Funktionen nun im zeitlichen Verlauf untersucht sowie die Rolle der einzelnen Untereinheiten und ihr Zusammenspiel analysiert.

Ein Ansatzpunkt im sogenannten BAF-Komplex könnte genützt werden, um in Zukunft Krebszellen gezielt auszuschalten, berichten Molekularmediziner/innen der ÖAW in Nature Genetics. © ÖAW/Klaus Pichler

Bei der Entstehung von Tumoren laufen sehr häufig Regulierungsprozesse in der Zelle aus dem Ruder. Einer jener Proteinkomplexe, der seit Langem die Aufmerksamkeit der Krebsforschung auf sich zieht, ist der sogenannte Chromatin remodellierende „BAF-Komplex“. Indem er die Chromatin-Verpackung der DNA an den entscheidenden Stellen umbaut, ermöglicht er das Auslesen der benötigten Informationen. Die Untereinheiten des BAF-Komplexes werden von 29 Genen codiert. Sie wiederum spielen in unterschiedlichen Kombinationen zusammen. Einzelne Mutationen können sich fatal oder sogar letal auf die einzelne Zelle auswirken. Wenn BAF-Untereinheiten aus fehlerhaften Kopien aufgebaut werden, verändert das die Fähigkeit des BAF-Komplexes, die DNA richtig ablesbar zu machen. Auf längere Sicht kann sich aus so einer Funktionsstörung Krebsgewebe entwickeln.

Stefan Kubicek vom CeMM – Forschungszentrum für Molekulare Medizin der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) und seine Forschungsgruppe haben nun die direkten Auswirkungen von Veränderungen des BAF-Komplexes auf die DNA-Zugänglichkeit Schritt für Schritt untersucht. Besonders wichtig war den Forscher/innen dabei, den Prozess in seiner zeitlichen Auflösung zu verstehen. Die Ergebnisse haben sie nun in Nature Genetics veröffentlicht.

Funktionsänderung innerhalb eines Zellteilungszyklus

Um Funktionen des Chromatin remodellierenden Komplexes zeitnah und im Detail beobachten zu können, haben die ÖAW-Forscher/innen eine breite Methodenpalette angewendet. Sie entwickelten ein Modellsystem, um die entscheidenden Aspekte des Chromatin Remodellierungsprozesses hervorzuheben. So mutierten sie etwa wichtige Teile mit CRISPR-Genome-Editing, gaben sie zur zellulären Müllabfuhr frei oder setzten sie pharmakologischen Substanzen aus. Auf diese Weise konnte das Team demonstrieren, dass das Entfernen einer einzelnen Untereinheit des BAF-Komplexes sofort zu einem Verlust an Zugänglichkeit zu bestimmten DNA-Regionen führt. „Wir haben zum ersten Mal gesehen, dass der Zellzyklus dabei keine Rolle spielt“, erklärt Stefan Kubicek. „Und wir können davon ausgehen, dass bei der Krebsentstehung ähnliche Vorgänge wie in unserem Modellsystem eine Rolle spielen, wenn in Zellen erstmals Mutationen einer Untereinheit des BAF-Komplexes auftreten.“

Synthetische Letalität verstärkt den Effekt

Die Synthetische Letalität ist ein junges Feld der Systembiologie. Auf Basis des Wissens darüber, dass bestimmte Genkombinationen zum Zelltod führen, wurde eine Methode entwickelt, um das Geschehen innerhalb einer Zelle gezielt zu beeinflussen. Synthetische Letalität wurde mittlerweile so weit perfektioniert, dass man mit dieser Methode einzelne Krebszellen abtöten kann ohne gesunde Zellen dabei zu beschädigen.

In ihrer aktuellen Studie beobachteten die Studienautor/innen den unmittelbaren Effekt einer Synthetischen Letalität bestimmter BAF-Untereinheiten auf den gesamten BAF-Komplex, nämlich zwischen den Genen SMARCA4 und SMARCA2. Sie kodieren dafür Untereinheiten des Komplexes, die als die Motoren des Chromatin modellierenden Prozesses gelten. Die Synthetische Letalität führte nun dazu, dass weitere entscheidende Regionen der DNA an Zugänglichkeit verlieren, insbesondere jene, die für die Zellidentität entscheidend sind. Besonders aktive genregulatorische Regionen, die „Superenhancer“, büßten nur dann ihre Zugänglichkeit ein, wenn das ÖAW-Team jene letale Wechselwirkung zwischen SMARCA4 und SMARCA2 auslöste.

BAF-Komplex braucht konstante Aktivität

Um den größeren Kontext der Zugänglichkeit des Genoms mithilfe des BAF-Komplexes besser zu verstehen, wurde schließlich noch die Energieversorgung der BAF-Funktion getestet. Mittels bestimmter pharmakologischer Substanzen konnten die Forscher/innen zeigen, dass die für die Zugänglichkeit der DNA erforderliche Remodellierung nur dann funktioniert, wenn jene BAF-Untereinheiten funktionieren, die die „Energiewährung der Zelle“ ATP verarbeiten können.

 

AUF EINEN BLICK

Publikation:

„Acute BAF perturbation causes immediate changes in chromatin accessibility“, Sandra Schick, Sarah Grosche, Katharina Eva Kohl et al., Nature Genetics, 2021
DOI: 10.1038/s41588-021-00777-3

Förderung:

Die Studie wurde im Rahmen des Christian Doppler Labors für Chemische Epigenetik und Antiinfektiva in Kollaboration mit Boehringer Ingelheim durchgeführt, unterstützt durch das Österreichische Bundesministerium für Digitalisierung und Wirtschaftsstandort und der Nationalstiftung für Forschung, Technologie und Entwicklung, dem Österreichischen Wissenschaftsfonds FWF und dem Europäischen Forschungsrat (ERC) sowie der Peter und Traudl-Engelhorn-Stiftung.