Gene, die an Histonmodifikationen beteiligt sind

In Eukaryonten bildet die DNA mit Histonen und anderen Proteinen das Chromatin.

Damit die DNA-abhängigen Prozesse ausgeführt werden können, muss die verpackte DNA gelockert werden, um den Zugang der Transkriptionsfaktoren zu ihren Zielsequenzen zu erleichtern. Dafür existieren verschiedene biochemische Systeme, die die Struktur des Chromatins kontrollieren und durch das Zusammenspiel entweder zur Repression oder Aktivierung der Transkription führen.

Zu diesen gehören die Histonmodifikationen wie Acetylierung/Deacetylierung spezifischer Lysinketten durch Histonacetyltransferasen/Histondeacetylasen sowie Methylierungen von Lysin- oder Argininresten durch Histonmethyltransferasen (siehe Kapitel 2.2.5).

2.3.1.1 Histonacetyltransferasen (HATs): Histone acetyltransferase 1 (HAT1) und General control of amino-acid synthesis protein 5-like 2 (GCN5) Histone acetyltransferase 1 (HAT1) und General control of amino-acid synthesis protein 5-like 2 (GCN5) sind Mitglieder der GNAT-Familie. Die GNAT-Familie umfasst mehrere HATs, die als Transkriptionsaktivatoren dienen. Enzyme dieser Familien spielen eine bedeutende Rolle bei der Regulation des Zellwachstums und der Entwicklung (XU et al. 2000). Histon acetyltransferase 1 ist derzeit die einzige bekannte HAT, die zu den zytosolischen HATs vom Typ B gehört (KLEFF et al.

1995). Abhängig von Organismus und Zelltyp konnte dieses Enzym aber auch im Nukleus nachgewiesen werden. Beim Menschen ist HAT1 nur im Nukleus aktiv

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(VERREAULT et al. 1998); in Hefen sowohl im Nukleus als auch im Zytoplasma (RUIZ-GARCIA et al. 1998). Histone acetyltransferase 1 weist in Eizellen von Xenopus nukleäre Aktivität auf, während der frühen Embryonalentwicklung ist sie ausschliesslich im Zytosol aktiv (IMHOF u. WOLFFE 1999). Die B-Typ HATs acetylieren die neusynthetisierten Histone, bevor sie in den Nukleus transportiert werden (BROWNELL u. ALLIS 1996; GRUNSTEIN 1997). Vermutlich ist die HAT1 an der Ausbesserung beschädigter DNA während der Zusammenlagerung des Chromatins verantwortlich (QIN u. PARTHUN 2002). McGRAW et al. (2003) haben das HAT1-Gentranskript bei Rinderembryonen während der präimplantatorischen Entwicklung nachgewiesen. Keine Unterschiede waren in den HAT1-Transkripten bis zum 8-Zellstadium feststellbar. Eine Erhöhung der HAT1-mRNA war nur im Blastozystenstadium nachzuweisen.

General control of amino-acid synthesis protein 5-like-2 (GCN5) zählt zu den Transkriptionsaktivatoren und ist für die korrekte Expression vieler Gene bei der Hefe verantwortlich (KUO et al. 1996). Allein kann GCN5 nur die freien Histone acetylieren (H3-K14) und als Multiproteinkomplex, d.h Ada- oder SAGA-Komplex, acetyliert es Histone, die das Nukleosom bilden (GRANT et al. 1997). GCN5-„knock out“-Mäuse starben am Tag 8,5 der Entwicklung. Sie zeigten ein reduziertes Wachstum und Abweichungen in der Ausbildung des Mesoderms und des Mesenchyms des Herzens. Außerdem konnte eine vermehrte Apoptose in den Zellen nachgewiesen werden (XU et al. 2000). Die Expression des GCN5-Gens wurde auch während der präimplantatorischen Entwicklung des Rindes nachgewiesen. GCN5-Transkripte wurden in allen Stadien exprimiert; eine Erhöhung der GCN5-mRNA wurde bis zum 8-Zell-Stadium festgestellt. Vermutlich ist das GCN5-Transkript für die Dekondensierung des Chromatins während der frühen Embryonalentwicklung wichtig (McGRAW et al. 2003).

2.3.1.2 Histondeacetylasen (HDACs): Histone deacetylase 2 (HDAC2)

Histondeacetylasen (HDACs) katalysieren die Abspaltung der Acetylgruppen von den Histonen und sind stark evolutionär konserviert (GRAY u. EKSTROM 2001). HDAC1, HDAC2 und HDAC3 sind einander sehr ähnlich und bilden die Klasse I der humanen

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HDACs, die im Zellkern der meisten Gewebe und Zelllinien lokalisiert sind (GROZINGER et al. 1999). HDAC2 ist zusammen mit HDAC1 in den gleichen hochmolekularen HDAC-Korepressorkomplexen verbunden (ZHANG et al. 1999).

Murine HDAC1-„knock out“-Stammzellen weisen eine erhöhte Expression des HDAC2-Gens auf. HDAC1-„knock out“-Mäuse zeigen eine reduzierte Deacetylasenaktivität und eine Hyperacetylierung an Histon H3 und H4 (LAGGER et al. 2002).

Der Einsatz von HDAC-Inhibitoren (Trichostatin A, Trapoxin B) in der Zellkultur führt zur Hemmung der HDAC-Aktivität sowie der Hyperacetylierung und dadurch zu einem Wachstums- und Zellzyklusstopp. Außerdem wird eine Apoptose in den transformierten Zellen induziert (RICHON et al. 1998; MARKS et al. 2000). HDAC-Inhibitoren werden zur Bekämpfung verschiedener Krebserkrankungen verwendet (MARKS et al. 2000, 2001; KRAMER et al. 2001). Trichostatin A (TSA) hat einen Einfluss auf die Blastozystenrate (SEGEV et al. 2001). Die Expression des HDAC2-Gens wurde in allen Stadien der präimplantatorischen Rinderembryonen festgestellt (SEGEV et al. 2001; McGRAW et al. 2003). HDAC2-Transkripte blieben bis zum 8-Zell-Stadium konstant, erst im Blastozystenstadium konnte eine signifikante Erhöhung des HDAC2-mRNA-Gehalts nachgewiesen werden (McGRAW et al.

2003).

2.3.1.3 Histonmethyltransferasen (HMTs): Suppressor of variegation 3-9 homolog 1 (SUV39H1), HLA-B associated transcript 8 (G9A, BAT8) und Nicht-Histon-Protein: Heterochromatin Protein 1 (HP1)

Als erste Lysinspezifische-Methyltransferase wurde SUV39H1 bei Drosophila entdeckt (REA et al. 2000). Die Aktivität dieser Enzyme ist spezifisch für das Lysin 9 Histon 3 (H3-K9) und ist mit einer Genabschaltung verbunden (REA et al. 2000;

NAKAYAMA et al. 2001). SUV39H1 besitzt außer der SET-Domäne auch eine Chromodomäne, die 40 Aminosäuren lang ist und vermutlich eine Rolle bei der Erkennung anderer Proteine spielt (AAGAARD et al. 1999). Eine Methylierung von H3-K9 ist erst nach der Deacetylierung dieser Stelle durch Histondeacetylasen möglich. Die SUV39H1 ist für die korrekte Entwicklung und Gewebedifferenzierung

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bei der Maus wichtig. SUV39H1-Null-Mutanten embryonaler Fibroblasten bei der Maus zeigten mitotische Defekte (REA et al. 2000). PETTERS et al. (2001) untersuchten homozygote „knock out“-Mäuse für SUV39H1 und fanden Segregationsdefekte bei der Zellteilung. Das von SUV39H1 methylierte H3-K9 rekrutiert durch die Chromodomäne HP1 und bildet Heterochromatin. Heterochromatin Protein 1 besitzt eine Chromodomäne, womit es das methylierte H3-K9 erkennt, und eine Chromo-Shadow-Domäne, die für weitere Interaktionen verantwortlich ist (ZHANG u. REINBERG 2001). Es ist bekannt, dass die Histonmethyltransferase G9A nicht nur H3-K9, sondern auch H3-K27 methylieren kann. Die Lysin 27-Trimethylierung ist mit einer X-Chromosom-Inaktivierung verbunden (PLATH et al.

2003). Die H3-K9-Methylierung führt zur Transkriptionsrepression und spielt eine bedeutende Rolle während der frühen Embryonalentwicklung (TACHIBANA et al.

2002).

In G9A-Null-Mäusen wurde eine drastische Absenkung der H3-K9 Methylierung gefunden. G9A-Null-Mäusefeten zeigten einen Wachstumsstillstand und starben zwischen Tag 9,5-12,5 der Entwicklung. Die reduzierte H3-K9-Methylierung wurde auch in G9A-Null-Stammzellen nachgewiesen (TACHIBANA et al. 2002).

Zudem konnte gezeigt werden, dass G9A-Null-Mäuse eine ungestörte Expression des Xist-Gens, das für die Initiation der X-Inaktivierung verantwortlich ist, aufwiesen.

Diese Ergebnisse deuten nicht auf Beteiligung von G9A bei der X-Chromosom-Inaktivierung hin (OHHATA et al. 2004). Bisher sind in der Literatur keine Daten über den Nachweis der mRNA-Expression der SUV39H1-, G9A- und HP1-Gene in präimplantatorischen Embryonen bei Säugern vorhanden.

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2.3.2 Maternale Gene: Zygote arrest 1 (ZAR1) und Maternal antigen that