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Forschung 6
HISTONMETHYLIERUNG UND
TRANSKRIPTIONSAKTIVIERUNG
Christian Beisel, Zentrum für Molekulare Biologie der Universität Heidelberg (ZMBH); Axel Imhof, Adolf-Butenandt
Institut, Universität München; Jaime Greene, Zentrum für Molekulare Biologie der Universität Heidelberg (ZMBH)
und Department of Biochemistry, University of California Riverside; Elisabeth Kremmer, GSF-Forschungszentrum,
München; Frank Sauer, Zentrum für Molekulare Biologie der Universität Heidelberg (ZMBH)
Eukaryotische Zellen speichern ihr Erbgut
(genomische DNA) im Zellkern. Dies ist keine
einfache Aufgabe, da z. B. die Chromosomen
des Menschen insgesamt ca. 2 m lang sind, der
Kern menschlicher Zellen allerdings nur einen
Durchmesser von ca. 60 µm besitzt. Um diese
Aufgabe zu bewältigen, verpacken eukaroytische
Zellen ihr Erbgut mit Proteinen in einen
hochkondensierten Protein:DNA Komplex, dem
Chromatin. Hauptbestandteil des Chromatins
auf Proteinebene sind die Histone (H1, H2A,
H2B, H3 und H4). Histone schliessen sich mit
chromosomaler DNA zu Nukleosomen zusammen,
der kleinsten Struktureinheit des Chromatins.
Nukleosomen bestehen aus einem
Oktamer, das jeweils zwei Kopien der Histone
H2A, H2B, H3 und H4 enthält, und ca. 146 bp
DNA, die zweimal um das Oktamer gewickelt
werden (Luger and Richmond, 1998). Das Linkerhiston
H1 bindet an das Nukleosom und stabilisiert
u.a. die Interaktion des Oktamers mit
DNA. Die kleinste derzeit sichtbare Chromatinstruktur
ist die «Nukleosomenkette» in der
Nukleosomen perlenkettenartig und immer im
selben Abstand auf einem DNA-Strang angeordnet
sind. In einer derzeit unbekannten
Weise wird diese Nukleosomenkette zum hochkondensierten
Chromatin verdichtet, das in
Form von mitotischen Chromosomen sichtbar
ist.
Seit ungefähr 30 Jahren weisen Studien darauf
hin, dass Histone nicht nur als Verpackungsmaterial
sondern auch als Informationsspeicher
genutzt werden und somit direkt an der Ausführung
biologischer Prozesse beteiligt sind.
Ferner, dass Histone das Ziel verschiedener
posttranslationaler Modifizierungen wie z. B.
Acetylierung, Methylierung, Phosphorylierung
und Ubiquitinierung sind (vanHolde, 1988). Die
Funktion und die korrespondierenden Enzyme
dieser Modifizierungen blieben über 25 Jahre
unbekannt, bis die Gruppe von Dr. Allis (University
of Rochester, USA) ein Enzym nachweisen
konnte (GCN5), das nicht nur Histone
acetyliert sondern gleichzeitig auch ein bereits
bekannter Transkriptionsregulator ist (Brownell
et al., 1996). Diese und eine Fülle von nachfolgenden
Studien konnten zeigen, das Histonacetylierung
mit Transkriptionsaktivierung
und Histondeacetylierung mit Transkriptionsrepression
korreliert. Die Studien bestätigten
nicht nur frühere Untersuchungen, die Histon
De-/Acetylierung mit aktiven bzw. inaktiven
Genen korrelierten, sondern zeigten zum ersten
Mal, dass Histonmodifizierungen fundamental
für die Durchführung DNA-abhängiger Prozesse,
wie z.B. Transkription, sind. Aus diesen
wurde die «histone code» Hypothese abgeleitet,
die postuliert, dass spezifische Histonmodifizierungen
die Ausführung spezifischer biologischer
Progamme steuern (Strahl and Allis,
2000).
In den vergangenen zwei Jahren wurden Enzyme
identifiziert, die spezifisch Histone methylieren
[Histonmethyltransferasen (HMT)]. Lysinspezifische
HMTs besitzen ein charakteristisches
Proteinmotiv, die SET-Domäne, die HMT-
Aktivität besitzt. Bevorzugte Ziele der HMTs
sind phylogenetisch hochkonservierte Lysine
oder Arginine in der NH2-terminalen Region
von H3 und H4. Derzeit bekannte Zielaminosäuren
von HMTs in H3 sind: Lysin 4 (H3K4),
9 (H3K9), 27 (H3K27) und 36(HK36). In H4
wurde bis jetzt nur Methylierung von Lysin 20
(H4K20) nachgewiesen. Die Methylierung
distinkter Lysine korreliert mit der Ausführung
spezifischer biologischer Prozesse. Methylierung
von Lysin 9 in H3 vermittelt Silencing
während methyliertes H3K4 in Tetrahymena
spec. mit Transkriptionsaktivierung korreliert.
Wir haben in den vergangenen Jahren zahlreiche
HMTs identifiziert, darunter den epigenetischen
Aktivator «Absent small and homeotic
discs» (Ash1) aus der Fruchtfliege Drosophila
melanogaster (Beisel et al., 2002). Ash1 zählt
zur Gruppe der epigenetischen Transkriptionsfaktoren
(LaJeunesse and Shearn, 1995). Unter
dem Begriff Epigenetik werden Transkriptionsvorgänge
zusammengefasst, in deren Verlauf
die Expression eines Gens einmalig aktiviert
oder reprimiert wird und dann, im Gegensatz
zur transienten Genexpression, während des
gesamten Lebenszyklusses eines Organismus
aktiviert oder reprimiert bleibt. Epigenetik ist z.
B. fundamental für die Etablierung des Schicksals
von Zellen während der Embryonalentwicklung
(Paro and Harte, 1996). Während der
Differenzierung von Zellen wird ihre Funktion
durch die Aktivierung und Repression spezifischer
Gene festgelegt. Einmal etabliert, muss
dieses Genexpressionsmuster während des
gesamten Lebenszeitraums aufrechterhalten
werden, um die Funktionalität der Zelle zu
gewährleisten. Fehler in diesem Prozess können
unter anderem zur Bildung von Krebs
führen (Muyrers-Chen and Paro, 2001). Es wird
postuliert, dass epigenetische Genexpression
vermutlich auf der Ebene des Chromatins verwirklicht
wird und spezifische, derzeit unbekannte
Signale an der Aufrechterhaltung von
Genexpressionsmustern beteiligt sind (Turner,
2000). Wir konnten zeigen, dass Ash1 H3 und
H4-spezifische HMT-Aktivität besitzt (Abb. 1a)
und drei Lysinreste methyliert: H3K4 H3K9 und
H4K20. Mit Hilfe von mutanten Proteinen
konnten wir nachweisen, dass die SET-Domäne
und eine Cystein-reiche Region, welche die
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