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Kölbl, Alexandra (2012): Untersuchungen zur Zellkernarchitektur in normalen und malignen hämatopoetischen Zellen. Dissertation, LMU München: Faculty of Biology
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Abstract

Im Zellkern einer jeden Zelle besteht eine gewisse Ordnung der darin vorhandenen DNA und Proteine. Diese Ordnung wird unter dem Begriff „Zellkernarchitektur“ zusammengefasst. In der vorliegenden Arbeit ging es um die nähere Betrachtung einiger Aspekte der Zellkernarchitektur. Diese Aspekte betrafen 1. die Anordnung von Genen, 2. die Anordnung von Chromatin mit Hilfe unterschiedlicher Histonmodifikationen und 3. die Anordnungen von Chromosomenabschnitten, die mit komplexen messenger RNA-Sonden hybridisiert werden. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wurde mittels 3D FISH die dreidimensionale Positionierung von drei auf dem Chromosom 1 lokalisierten Genen in Zellkernen der Burkitt- Lymphom Zelllinie DG75 bestimmt. Diese Zelllinie wurde von Stefan Bohlander zur Verfügung gestellt und enthielt einen induzierbaren episomalen Vektor für das CALM-AF 10 Gen. Messungen der Genexpression, die in der Bohlander Gruppe mit Hilfe eines Affymetrix- Chips durchgeführt wurden, zeigten das die Induktion des Transgens zu genomweiten Veränderungen der Expressionsmuster hunderter Gene in dieser Zelllinie führten. Die für die 3D FISH Experimente ausgewählten Markergene zeigten nach der Induktion eine signifikant veränderte Expression. Dennoch änderte sich die radiale Positionierung dieser Gene, darunter versteht man die mehr innere oder mehr periphere Position der Gene, nicht. Dieses Ergebnis schien zuerst darauf hinzuweisen, dass die Transkriptionsstärke keine bedeutsamer Faktor im Hinblick auf die radiale Positionierung ist. Die Befunde der Affymetrix-Chip Analyse für diese Gene konnten jedoch in einer anschließende Untersuchungen der Genexpression mit Real-Time-PCR nicht bestätigt werden, obwohl der Vergleich von Affymetrix-Chip und Real- Time-PCR Daten insgesamt eine klare Korrelation zwischen den Datensätzen zeigte. Bei Diskrepanzen gehen wir davon aus, dass Real-Time-PCR die zuverlässigeren Ergebnisse liefert. Bei der hier durchgeführten Real-Time-PCR Untersuchung wurden auch die Expressionsstärken aller in einer Nachbarschaft von etwa 1 Mbp um die Markergene annotierten Gene ermittelt. Dieses Fenster wurde gewählt, weil Untersuchungen in der Arbeitsgruppe von Thomas Cremer und anderen Gruppen gezeigt haben, dass ~1 Mbp Chromatindomänen die Basisstruktur der Chromatinorganisation darstellen. Als Maß für die gesamte Genexpression einer Chromatindomäne wurde eine „Total Expression Strength“ (TES) berechnet. Dieser Wert basiert auf den Real-Time-PCR Werten der annotierten Gene und berücksichtigt auch die Länge der ungespleissten RNA, die von einem Gen transkribiert wird. Dabei zeigte sich, dass das Markergen in der Domäne mit dem höchsten TES Wert am weitesten innen im Zellkern lokalisiert ist. Dieser Befund unterstützt Befunde aus der wissenschaftlichen Literatur, dass die radiale Positionierung von individuellen Genen von Eigenschaften der lokalen Umgebung abhängt. Da sich die Nachbarschaft der untersuchten Markergene nicht nur im Hinblick auf die TES Werte sondern auch im Hinblick auf die Dichte der dort annotierten Gene und den GC-Gehalt unterscheidet, bleibt offen, welcher dieser Parameter als Prädiktor für die zu erwartende radiale Position individueller Gene eine entscheidende Rolle spielt. Möglich ist auch, dass alle Parameter zusammenwirken oder dass je nach den speziellen Umständen einer Untersuchung verschiedene Parameter die radiale Positionierung eines Gens bevorzugt beeinflussen. Die Stabilität der radialen Positionierung der Markergene trotz einer genomweiten Veränderung des Genexpressionsmusters nach CALM-AF 10 Induktion stimmt mit Befunden verschiedener Arbeitsgruppe überein, die für einen hohen Grad an räumlicher Stabilität der Chromatinanordnung während der Interphase sprechen; ~1 Mbp Chromatindomänen zeigen dementsprechend meist nur sehr begrenzte lokale Bewergungen (<0.5 μm).Im zweiten Teil der Arbeit wurden drei verschiedene Modifikationen des Histons H3 untersucht, wobei die drei Modifikationen einen Nachweis für die verschiedenen Chromatintypen, Euchromatin (me3-H3K4), konstitutives (me3-H3K27) und fakultatives Heterochromatin(me3-H3K27) darstellen. Für die Untersuchungen wurden verschiedene menschliche Leukozyten, Stammzellen aus dem Nabelschnurblut und einige Blutkrebszelllinien, die durch Zugabe verschiedener Chemikalien zur Differenzierung gebracht werden können, herangezogen. Festgestellt wurde dabei, dass das transkriptionell aktive Euchromatin deutlich weiter im Inneren des Zellkerns zu finden ist als die beiden Typen des weniger aktiv transkribierten Heterochromatins, wobei das konstitutive Heterochromatin am weitesten außen, am Rand des Zellkerns, liegt. Bei der Differenzierung der Krebszelllinien, z.B. die promyeloische Leukämiezelllinie HL-60, die mit Retinsäure in Richtung der Granulozyten, mit Vitamin D3 in Richtung der Monozyten differenziert werden kann, in reifere Stadien zeigten sich auch Veränderungen in der Signalverteilung der Histonmodifikationen. Die „gereiften“ Krebszellen wiesen oft eine Signalverteilung auf, die der in normalen Zellen ähnlicher war, als ihrer Ausgangszelllinie. Im dritten Teil der vorliegenden Arbeit sollten sog. „komplexe Sonden“ aus der RNA, genau genommen der mRNA einer Zellpopulation hergestellt werden, um damit in FISHExperimenten transkriptionell aktive Bereiche zu markieren. Dazu wurde aus den in Frage kommenden Zellen RNA isoliert, die mRNA mit reverser Transkription in cDNA umgeschrieben, diese amplifiziert, mit Fluorochromen oder Haptenen markiert und daraus Hybridisierungsmixe hergestellt, die für 2D und 3D Analysen verwendet werden sollten. Nach anfänglich funktionierenden Versuchen trat jedoch das Problem auf, dass die Negativkontrolle (Reaktionsansatz ohne Zugabe von Reverser Transkriptase) stets ein Signal ähnlich dem der Positivprobe zeigte, und nicht zu beseitigen war, unabhängig davon welche Amplifikationsmethode und welche Möglichkeiten der DNA-Markierung gewählt wurden. Es wurde daher beschlossen die Versuchsserie abzuschließen, da ein weiteres verfolgen der Ziele zu zeit- und kostenintensiv gewesen wäre. Aus allen drei Teilen kann also geschlossen werden, dass GC-Gehalt und Gendichte für die Positionierung von DNA-Sequenzen im Zellkern wichtig sind, was frühere Ergebnisse der Arbeitsgruppe bestätigt, über die Rolle der Genexpression kann jedoch letztendlich keine zuverlässige Aussage gemacht werden. Zwar scheinen transkriptionell aktive Bereich weiter innen im Zellkern zu liegen, wie aus den Histon-Analysen deutlich wird, jedoch liefern die anderen beiden Teile der Arbeit hierzu keine Ergebnisse, die eine haltbare Aussage zulassen.