Unser Verständnis molekularer Mechanismen der Transkriptionsaktivierung und  regulation einschließlich co- und posttranskriptioneller Vorgänge wächst beständig. Ein ebenso wichtiger und gut beschriebener Faktor der Transkriptionsregulation ist die globale Anordnung des Chromatins im Zellkern mit der räumlichen Trennung von Eu- und Heterochromatin. Über die Zwischenebene transkriptioneller Organisation – die räumliche Struktur einzelner aktiv transkribierter Gene – ist jedoch überraschend wenig bekannt.

Dieser Antrag beschreibt das kürzlich von mir entdeckte Phänomen so genannter Transcription Loops (TLs), von stark exprimierten und dekondensierten Genen gebildete Strukturen, an denen sich RNA Polymerase II Komplexe entlang bewegen. Dieses Phänomen wurde für zwei lange Gene beobachtet: Thyroglobulin (Tg) in Thyrocyten, und Titin (Ttn) in Myocyten. TLs führen zur dynamischen Veränderung benachbarter Loci, indem sie die an das betreffende Gen angrenzenden chromosomalen Bereiche räumlich trennen, den Aufbau des jeweiligen Chromosomenterritoriums verändern und aufgrund ihrer intrinsischen Biegesteifheit in das Kernplasma hineinragen. Vermutlich wird diese Biegesteifheit dadurch hervorgerufen, dass das Gen dicht mit einer Vielzahl aktiver Polymerasen sowie voluminösen neu gebildeten RNPs besetzt ist. Diese vorläufigen Ergebnisse lassen vermuten, dass die Bildung von TLs ein universelles Prinzip eukaryotischer Genexpression ist, welches aufgrund fehlender lichtmikroskopischer Auflösung und/oder niedriger Expressionsrate untersuchter Gene nicht beschrieben wurde. 

Um diese Hypothese, basierend auf der Untersuchung zweier Gene, als generelles Modell zu validieren, plane ich (i) weitere Gene zu identifizieren, die TLs formen, (ii) TL Bildung experimentell zu inhibieren oder zu stimulieren, (iii) kurze Gene experimentell zu verlängern, um sie mikroskopisch auflösen zu können, oder lange Gene zu verkürzen, um sie in nicht auflösbare TLs zu transformieren, (iv) weitere Erkenntnisse über die Feinstruktur von TLs sowohl auf Mikroskopie- als auch auf Chromatinebene zu gewinnen, und (v) der TL Bildung zugrunde liegende Mechanismen anhand eines Polymermodells, basierend auf Mikroskopie- und HiC-Daten, aufzuklären. Da die hohe Tg Expression für die Physiologie der Schilddrüse essenziell und das Phänomen der TL Bildung potenziell medizinisch relevant ist, plane ich des Weiteren, die evolutionsbiologische Entwicklung des Tg Gens in anderen Vertebratengruppen sowie die mögliche Regulation der Tg Expression durch T3- und T4-Hormonlevel und durch Intron Retention zu untersuchen.  

Dieses Projekt wird wesentlich dazu beitragen, (i) neue Erkenntnisse über die dreidimensionale Struktur transkribierter Gene zu liefern, (ii) den Einfluss von Transkription auf die Kernarchitektur zu beschreiben, und (iii) ein neues Modell der räumlichen Dynamik eukaryotischer Transkription zu etablieren. 

Übersicht Teilprojekte