Zelltyp-spezifische 3D Genomstruktur in heterogenen Zellpopulation im Gehirn

In der Embryonalentwicklung eines jeden Organismus muss die Expression der Gene sehr exakt reguliert werden. Diese Regulation wird durch dreidimensionale (3D) Kontakte zwischen nicht-kodierenden regulatorischen DNA-Regionen und ihren Zielgenen vermittelt. Defekte in dieser räumlichen Beziehung von regulatorischen Elementen und ihren Zielgenen werden mit Entwicklungsstörungen und Krankheiten in Verbindung gebracht. Die räumliche Beziehung zu erforschen und zu entschlüsseln wird daher immer wichtiger, um komplexe neurologische Erkrankungen zu verstehen, die oft mit der Deregulierung von Chromatinfaktoren verbunden sind.  Momentan beschränkt sich die Forschung zur Aufklärung der 4DGenomstruktur im Nervensystem allerdings auf die Verwendung von ganzen Gewebeteilen, in vitro differenzierten Zellen oder vom Gehirn dissoziierten Neuronen. Daher bleibt es eine große Herausforderung, die Veränderungen im 4D-Genom, welche die Aktivierungsprozesse bestimmter Neuronen begleiten, konkret und im Detail zu analysieren. Diese Einschränkung macht es schwierig zu verstehen, wie diese Veränderungen mit zellulärer Homöostase während der neuronalen Aktivierung und zirkadianen Prozessen zusammenhängen. Mit unserem Projekt wollen wir den Zusammenhang zwischen dem 4DGenom, der Genexpression in Gehirnzellen und ihrer Deregulierung bei der neuronalen Entwicklung im Zusammenhang mit Shank3-Mutationen verstehen, welche als Risikofaktoren für Autismus-Spektrum-Störung (ASS) identifiziert wurden. Zusätzlich zur Bedeutung bei der der Synapsenentwicklung kann Shank3 auch in den Zellkern importiert werden, wo es als Antwort auf neuronale Aktivität die Genexpression moduliert. Zunächst werden wir die 3D-Genomstruktur in spezialisierten Neuronen im Hippocampus, den Pyramidenzellen, von Wildtyp-Mäusen und Shank3 Mutanten bestimmen. Damit wollen wir genomische Zielregionen identifizieren, als auch die zugrundeliegenden Wirkungsmechanismen untersuchen. Darauf aufbauend werden wir eine neuartige Technologie entwickeln, um die quantitativen Zusammenhänge zwischen 3DGenomstruktur und den zellulären Konzentration von aktiven Faktoren im Zellkern zu analysieren. Dies stellt einen wesentlichen Schritt zur detaillierten Aufklärung von Mechanismen der Genomstruktur in heterogenen Geweben wie dem Gehirn dar.

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