Eine Entdeckung bezüglich Mrc1 (Mediator of Replication Checkpoint 1) – ein Spalthefeprotein, das an der DNA-Replikation beteiligt ist – wurde veröffentlicht In Zelle. Die Entdeckung ist das Ergebnis einer internationalen Forschungszusammenarbeit unter der Leitung der Professorinnen Genevieve Thon und Anja Groth von der Universität Kopenhagen.
Dr. Sebastian Charlton, Mitautor der Arbeit, hatte viele Jahre lang im Thon-Labor des Instituts für Biologie an Mrc1 geforscht. „Wir wussten, dass dieses Protein wichtig ist, um den heterochromatischen Zustand in Zellen aufrechtzuerhalten. Wir hatten eine gute Vorstellung davon, wie es funktioniert, aber obwohl wir experimentelle Daten hatten, fehlten uns in unserem Labor die Werkzeuge, um es auf molekularer Ebene zu bestätigen“, erklärt er.
Um ihre Hypothese mittels fortschrittlicher Genomik zu testen, die im Groth-Labor entwickelt wurde, schloss sich Dr. Charlton mit Dr. Valentin Flury zusammen, dem gemeinsamen Erstautor aus der Groth-Gruppe am Novo Nordisk Foundation Center for Protein Research (CPR).
„Aber unsere Zusammenarbeit endete hier nicht“, erklärt er. „Wir arbeiteten auch mit Strukturbiologen am CPR und mit Forschern am Tokyo Metropolitan Institute of Medical Science und am Hubrecht Institute in Utrecht zusammen. Diese erfolgreiche Zusammenarbeit bestätigte nicht nur unsere ursprüngliche Hypothese, sondern führte auch zu weiteren Experimenten, die die überraschende Dualität der Mrc1-Funktion enthüllten.“
Die Rolle von Mrc1 bei der DNA-Replikation
Der Fork Protection Complex (FPC) ist eine Gruppe von Proteinen, darunter Mrc1 (Claspin beim Menschen), die eine entscheidende Rolle bei der Replikation von DNA spielen. Die neue Entdeckung zeigt, dass FPC auch elterliche Histone mit ihren spezifischen epigenetischen Markierungen auf die beiden neu synthetisierten DNA-Stränge recycelt. Dieser Prozess ist entscheidend für die Aufrechterhaltung des epigenetischen Gedächtnisses, da er es den Tochterzellen ermöglicht, dieselbe epigenetische Landschaft wie die Elternzelle zu erben.
Die Experimente von Dr. Charlton und Flury zeigten, dass Mrc1 während der DNA-Replikation als zentraler Koordinator der elterlichen Histonvererbung fungiert, indem es das aus den Histonen H3 und H4 gebildete Tetramer bindet.
Ihre Forschung zeigte weiter, dass Mutationen in der Schlüsselverbindungsdomäne von Mrc1 die ordnungsgemäße Verteilung der elterlichen Histone auf den Folgestrang während der DNA-Replikation stören. Dieser Effekt ist vergleichbar mit Störungen, die durch Mutationen in der Histon-Bindungsregion von Mcm2 verursacht werden – einem anderen Protein, von dem bereits bekannt ist, dass es am Histon-Recycling während der DNA-Replikation beteiligt ist.
Die Untersuchungen umfassten Strukturvorhersagen von AlphaFold, die durch biochemische und funktionelle Analysen validiert wurden. Diese legen nahe, dass Mrc1 und Mcm2 gemeinsam H3-H4-Tetramere binden, wobei die Mrc1-Verbindungsdomäne eine Schlüsselrolle bei der Verknüpfung von Histonen mit Mcm2 spielt. Somit bilden Mrc1 und Mcm2 einen Co-Chaperon-Komplex, der die Verteilung von Histonen auf den Folgestrang während der DNA-Replikation sicherstellt.
Bei Mutanten von Mrc1 stellten die Forscher fest, dass die durch H3K9me-Heterochromatin vermittelte Gen-Stilllegung beeinträchtigt ist und dass der deaktivierte aktive Zustand erstaunlicherweise asymmetrisch vererbt wurde, ähnlich wie bei den elterlichen Histonen. Dieser Befund unterstreicht die Bedeutung der Histone für den Transport und die Übertragung epigenetischer Informationen, die eine stabile Gen-Stilllegung aufrechterhalten.
Effizientes Recycling zu beiden Tochtersträngen
Weitere experimentelle Analysen zeigten, dass Mrc1 tatsächlich auf mehrere Arten mit Histonen jongliert: Die Verbindungsdomäne leitet Histone wie oben beschrieben zum Folgestrang, während eine andere Histon-Bindungsregion für das Recycling von Histonen auf den Leitstrang erforderlich ist.
„Bisher war die Rolle von Mrc1 bei der Übertragung elterlicher Histone nicht bekannt. Nun haben wir gezeigt, dass Mrc1 für ein effizientes Histon-Recycling in beiden Tochtersträngen erforderlich ist“, sagt Dr. Charlton.
„Es scheint, dass Mrc1 Histone zwischen den nacheilenden und den führenden DNA-Strängen umschaltet, teilweise durch intrareplisomes Co-Chaperoning mit Mcm2. Dadurch wird sichergestellt, dass beide Tochterzellen die richtigen epigenetischen Markierungen erben, was für die Erhaltung der Genexpressionsmuster während der Zellteilung unerlässlich ist.“
Implikationen für zukünftige Forschung
Die Erhaltung der Chromatinlandschaften über viele Zellgenerationen hinweg ist für die Entwicklung und Erhaltung der verschiedenen Zelltypen in mehrzelligen Organismen von entscheidender Bedeutung. Der Verlust der Zellidentität ist eine der Ursachen vieler Krankheiten wie Krebs und des Alterns, bei dem Belege darauf hindeuten, dass sich die Chromatinlandschaft mit der Zeit verschlechtert. Dr. Flury erklärt, dass das Forschungsteam einen „Heureka-Moment“ hatte, als sie die Histonbindungsstellen im Säugetierhomolog Claspin mutierten und einen Defekt in der elterlichen Histonübertragung beobachteten, wie bei Mrc1-Mutanten in Spalthefezellen.
„Ich glaube nicht, dass wir das volle Potenzial unserer Entdeckung schon abschätzen können, aber wir haben einen sehr grundlegenden Mechanismus aufgedeckt, der die Zellidentität aufrechterhält und der, wenn er manipuliert werden kann, erhebliche Auswirkungen auf die zukünftige medizinische Forschung haben könnte“, so Dr. Flury abschließend.
Weitere Informationen:
Sebastian Jespersen Charlton et al, Der Fork Protection Complex fördert das elterliche Histonrecycling und das epigenetische Gedächtnis, Zelle (2024). DOI: 10.1016/j.cell.2024.07.017