Polycomb-Körper

Polycomb-Körper sind nach Immunfärbung mikroskopisch sichtbare Strukturen innerhalb des Zellkerns, die eine hohe Konzentration an Polycomb-Proteinen enthalten. Diese Proteine der Polycomp-Gruppe sind konservierte Chromatinfaktoren, die die Stillegung wichtiger Entwicklungsgene auch über mehrere Zellteilungen hinweg aufrechterhalten. Sie sind für die normale Entwicklung multizellulärer Organismen unerlässlich. In Säugetieren sind sie an grundlegenden Prozessen wie dem zellulärem Gedächtnis, Zellproliferation, genomischer Prägung, X-Inaktivierung und der Krebsentwicklung beteiligt.

Einführung

Innerhalb eukaryotischer Zellen enthält der Zellkern immer das gesamte Erbgut in Form der DNA, sichtbar als Chromatin. Zu einem bestimmten Zeitpunkt wird jedoch nur ein Teil der Gene benötigt. Dies ist abhängig vom Entwicklungszyklus der Zelle und vom Zelltyp. Hier muss die Zelle eine Auswahl treffen, welche Gene aktiv sind und welche nicht. Die DNA der nicht benötigten Gene wird kompakt zusammengefaltet und bildet das Heterochromatin. Hierbei wird die DNA um die Nucleosomen aufgewickelt, mit weiteren Proteinen gebunden und stark komprimiert. Zentraler Bestandteil von Nucleosomen sind die Histone, deren Eigenschaften durch Bindung von weiteren Proteinen verändert werden können. Bei aktiven Genen ist das Chromatin nicht so kompakt; es bilden sich DNA-Schleifen aus, von denen die Gene abgelesen werden. Diese dreidimensionale Organisation von Genen ist wichtig zur Regulierung von Genexpression. Die Funktion von Polycomb-Proteinen ist unter anderem, die Transkription von Genen zu unterdrücken (Gen-Silencing). Dies geschieht u.a. durch Modifikation der Histon-Proteine.

Während der Entwicklung eines Organismus müssen sich die Zellen unterschiedlich differenzieren. Dabei sind nacheinander unterschiedliche Gene aktiv. Dieses Genexpressionsmuster erfordert eine genaue Steuerung. Unterstützt wird dies durch epigenetische Mechanismen, indem in zelluläres Gedächtnis aufgebaut wird, welches auch durch Replikation und Zellteilung hindurch stabil an deren Tochterzellen weitergegeben wird. Dies wurde bei der Fruchtfliege Drosophila intensiv erforscht. Hierbei wurden die epigenetische Regulatoren in Form von zwei Gruppen von Genen entdeckt: Die Polycomb-Gruppe (PcG) und Trithorax-Gruppen (TrxG) Gene. Die Enzyme von PcG und TrxG vermitteln die Modifikation der Histone. Durch die PcG Faktoren kann ein Gen dauerhaft stummgeschaltet werden, während mit TrxG Gene aktiviert werden können.

Die PcG-Proteine sind nicht zufällig im Zellkern verteilt, sondern sammeln sich mehreren Zentren zusammen, den Polycomb-Körpern. Sie unterscheiden sich in Größe und Anzahl in verschiedenen Zelltypen; in der Regel sind in undifferenzierten Zellen immer weniger und größere Körper vorhanden, während in differenzierten Zellen immer mehr und kleinere Körper auftreten.r9 Sie enthalten durch PcG-Proteine stillgelegte Gene.r4 Polycomb-Körper bewegen, treffen und teilen sich während der Entwicklung dynamisch.r4 Pro Zelle liegt die Anzahl dieser Körper zwischen 12 und 16 und der Durchmesser beträgt 0,3-1,0 µm.r17 Polycomb-Körper unterscheiden sich in Größe und Menge an Polycomb-Proteinen. Insbesondere PcG-Domänen mit einer längeren linearen Größe zeigen einen höheren Gehalt an Polycomb und erzeugen größere PcG-Körper.r2

Polycomb-Körper wurden in Säuger- und Drosophila-Zellkernen durch Immunfärbung mit Antikörpern gegen PcG-Proteine beobachtet.r8 Durch mikroskopische Aufnahmen oder auch durch Live-Bildgebung von fluoreszenzmarkierten Proteinen wurde gezeigt, dass PcG-Proteine in einer relativ kleinen Anzahl von Polycomb-Körpern lokalisiert sind.r1

Genomweite Analysen mithilfe von Techniken wie der Chromosomen Confirmation Capture konnte die Verteilung von PCG Proteinen und der Histonmarkierung bestimmen. Die Ergebnisse deuten auf eine hierarchische Organisation der regulierten Gene hin. Die erste Ebene besteht aus kurzen einzelnen Regionen, die durch PcG-Proteine gebunden sind. Hierzu gehören die PREs (Polycomb Response Elements). Diese DNA-Regionen fungieren als Antwortelemente, die notwendig sind, um PcG-Proteine zu rekrutieren und angrenzende Gene stillzulegen.r4 Die zweite Ebene dieser Organisation wird bestimmt durch das Clustering einzelner PREs in Polycomb-Domänen. Diese Regionen werden markiert mit dem Histon H3K27me3 und Polycomb-Proteinen. Diese PREs können miteinander interagieren um dreidimensionale Strukturen zu bilden.r4 Auf einer solchen hierarchischen Organisationsebene von PcG-Domains befinden sich die PcG-Körper. Die Polycomb-Domänen können Kontakte über weit entfernte DNA-Regionen hinweg vermitteln. Dadurch bildet sich ein Netzwerk aus Polycomb-Proteinen und DNA aus.r4 Dabei entstehen Chromatin-Schleifen mit PcG-gebundenen regulatorischen Elementen und Promotoren von PcG-Zielgenen, deren Transkription unterdrückt wird.r2 Bei PREs wurde gezeigt, dass sie weit entfernte Stellen auf dem gleichen oder anderen Chromosom kontaktieren können.r4 Diese Kontakte werden wahrscheinlich durch nicht-kodierende RNAs (ncRNA), Isolatoren oder über RNA-Interferenz (RNAi) vermittelt.r2 r4

Im Jahr 1947 wurde das erste Gen der Polycomb-Gruppe, Polycomb (PC), in Drosophila melanogaster von Pamela Lewis entdeckt.r16 (EB Lewis, RF Mislove - Drosophila Information Service, 1947). Bei Drosophila haben männliche Fliegen an ihrem ersten Beinpaar eine borstige Struktur, den sogenannten Geschlechtskamm (sex comb). Dies dient zum Festhalten des Weibchens während der Begattung. Die Analyse einer Fliegenmutante, die zusätzliche Sexualkämme auf dem zweiten und dritten Beinpaar („polycomb“) besitzt, ermöglichte es den Forschern, das erste Polycomb-Element (Pc) zu identifizieren.r15

Später wurden bei der Untersuchung homöotischer Gene die Funktion von Polycomb-Proteinen als negativer Regulator entdeckt. Diese Gene sind für die korrekte Körpersegmentierung während der Entwicklung notwendig. Insgesamt wurden 18 PcG-Gene in Drosophila entdeckt, die die korrekte Abfolge der Aktivierung des Hox-Genclusters regulieren.r15

Beteiligte Proteine

PcG-Proteine

Die Polycomb-Gruppenproteine sind wichtige Entwicklungsregulatoren, die die Expression von Hunderten von Genen steuern.r4 Ihre Aktivität ist notwendig, um ein "epigenetisches Gedächtnis" spezifischer Genexpressionsmuster zu erhalten. Als epigenetische Repressoren haben sie die wichtige Funktion, das Gedächtnis von Transkriptionsprogrammen während der Entwicklung und Differenzierung von Lebewesen zu erhalten. Die durch PcG-Proteine vermittelte Gen-Stilllegung tritt in Polycomp-Körpern auf. Hierbei vermitteln die in den Polycomb-Körpern befindlichen PcG-Komponenten die Chromatin-Kondensation ihrer Zielgene. Dies geschieht, indem Proteine der PcG-Gruppe komplexere Moleküle (PRC1 und PRC2) bilden, welche die Histone von Nucleosomen so modifizieren können, dass diese sich mit der daran aufgewickelten DNA zu einer kompakten Chromatinstruktur zusammenlagern. Dadurch werden die darin enthaltenen Gene sozusagen stillgelegt, da die DNA nicht mehr durch die abgelesen werden kann (Gene-Silencing). Es hat sich gezeigt, dass PcG-Komplexe Chromatin auch in vitro verdichten und die DNA-Zugänglichkeit in vivo reduzieren.r4 r2

Meistens sind PcG-Proteine diffus im Zellkern verteilt. In einigen Zelltypen bilden sie jedoch auch Körper, die durch Fluoreszenzmikroskopie sichtbar sind, unabhängig davon, ob mit welcher Methode sie aufgenommen wurden. Das Verteilungsmuster der PcG-Proteine und der damit verbundenen Histonmarkierungen ist zelltypabhängig.r3 r4

PcG-Proteine können ihre Aktivität durch Interaktionen über eigentlich weit entfernte Abschnitte der DNA auch auf verschiedenen Chromosomen vermitteln. Dies ist die Grundlage, damit die Genexpression räumlich und zeitlich koordiniert werden kann. Damit wird auch die Regulation auf die gesamte Zellteilung und die Wahl des Zellschicksals übertragen. So trägt die dreidimensionale Organsiation von PcG-Proteinen wesentlich zu ihrer Funktion bei. Mithilfe von PcG-Proteinen werden intra- und sogar interchromosomale Interaktionen über weite Entfernungen zwischen PcG-Zielen innerhalb des Zellkerns etabliert. Dadurch wird ein hohes Maß an Chromatin-Organisation im 3D-Kernraum erzeugt wird. Diese langfristigen Kontakte könnten durch ncRNAs, Isolatoren, DNA-Element und RNAi-Maschinen vermittelt werden.r2

In Drosophila gibt es spezifische regulatorische DNA-Abschnitte, die Polycomb Group Response Elements (PREs) genannt werden. An diesen Stellen binden sich die PcG-Proteinkomplexe an die DNA. Studien mit Drosophila lieferten hier experimentelle Beweise für eine sequentielle Bindung von PcG-Komplexen an diese PREs. Z.B. legen PcG-Proteine die Hox-Gene durch Bindung an cis-regulierende DNA-Module still. Genomweite Analysen zeigten eine Polycomb (PC)-Verteilung mit Bindung an diskrete PcG Response Elements (PREs).r15 r1

Der Gegenspieler zu den PcG-Proteinen sind die Proteine der Trithorax(TrxG)-Gruppe. Sie arbeiten an mehreren hundert entwicklungsrelevanten Zielgenen antagonistisch zu den Proteinen der Polycomb-Gruppe, um aktive Transkriptionszustände aufrechtzuerhalten.r13 Im Allgemeinen arbeitet PcG mit Transkriptionsrepressoren zusammen, um die Genabschaltung aufrechtzuerhalten, während TrxG durch entsprechende Transkriptionsaktivatoren eine Genaktivierung ermöglicht.r2

Proteine der Trithoraxgruppe erhalten den aktiven Zustand der Genexpression, während die Proteine der Polycomb-Gruppe (PcG) dieser Aktivierung mit einer repressiven Funktion entgegenwirken, die über viele Zellgenerationen hinweg stabil ist und nur durch Keimbahndifferenzierungsprozesse überwunden werden kann. Die repressiven Funktionen von PcG sind meist mit post-translationalen Modifikationen von Histonen verbunden. Danach folgt eine Hemmung der Chromatin-Remodellierung und ein Verdichtung der Chromatins.r3 Diese Enzymkomplexe von PcG und Trx funktionieren, indem sie an die regulatorischen Regionen der Gene wie z.B. PRE binden. Sie regulieren dadurch das komplizierte Gleichgewicht zwischen der Selbsterneuerung von Stamm- und Vorläuferzellen und der Durchführung der zellulären Differenzierung. Im Laufe der Differenzierung binden sich diese regulatorischen Regionen an einen dieser beiden Proteinkomplexe und werden ausschließlich von den Proteinen PcG oder TrxG besetzt. Diese Bindung erfolgt zelllinienabhängig, so dass die Chromatinstruktur dieser Gene entweder im aktiven oder im stillen Zustand fixiert wird.

PRC1/PRC2

Die verschiedenen PcG-Proteine verbinden sich zu funktionell unterschiedlichen Komplexen, die zu zwei großen Familien gehören: den Polycomb repressive complex 1 und 2 (PRC1 und PRC2). Die Molekül-Komplexe jeder Familie zeigen eine katalytische Aktivität.r15 Die Aminosäuresequenz von PRC2 ist evolutionär konservierter als von PRC1. Jeder Komplex besteht aus mehreren Proteinen mit unterschiedlichen biochemischen Funktionen, von denen viele nicht gut verstanden sind. Anscheinend verändern PcG-Komplexe die Chromatin-Umgebung, bei dem sie durch ihre katalytische Aktivität Histone modifizieren und auch die Kondensierung des Chromatins veranlassen. Zudem regulieren PRC1 und PRC2 die Aktivität der RNA-Polymerase.r15 r13

PRC1 enthält die Proteine Ph (Poyhomeotic), Psc (Posterior Sex Combs), Sce (Sex Comb Extra)/Ring und Pc (Poycomb).r12 PRC2 enthält Esc, Su(z)12, p55/CAF und die Histonmethyltransferase E(z), die das Histon H3 auf Lysin 27 (H3K27me3) methyliert.r12 Bei Säugetieren hat sich der PRC1-Komplex jedoch im Laufe der Evolution erheblich erweitert, was zur Existenz mehrerer Orthologen pro PRC1-Komponente führte. Menschliche Zellen kodieren fünf HPC (CBX), sechs PSC, drei HPH und zwei SCE-Orthologen. Der typische PRC1-Komplex enthält einen einzigen Vertreter aus jeder Genfamilie.r3

Durch diese Protein-Komplexe werden posttranslationale Modifikationen von Histonproteinen vermittelt. Hierbei werden Modifikationen wie Acetylierung, Methylierung, Phosphorylierung und Ubiquitination durchgeführt, um einen kombinatorischen "Histoncode" zu erzeugen. Dies dient dazu, zelllinienspezifische Muster der Chromatinstruktur während der gesamten Entwicklung zu regulieren.

Der PRC2-Komplex besitzt eine Histonmethyltransferase-Aktivität. Er trimethyliert das Histon H3 auf Lysin 27 (d.h. H3K27me3). PRC2 ist erforderlich für das zum Auswählen der Genomregion (hier PRE), die stillgelegt werden soll. PRC1 wird für die Stabilisation dieser Stilllegung benötigt. PRC1 wirkt durch die Vermittlung der Ubiquitinierung des 119. Lysinrestes des Histons H2A; dies wird durch zwei der PRC1-Proteine erreicht, die als Ringfingerprotein 1A und 1B bezeichnet werden. Die Monoubiquitierung von Lysin 119 auf H2A und die Di-/Trimethylierung von Lysin 27 auf H3 durch PRC1 bzw. PRC2 sollen die Gentranskription direkt blockieren.r15

Diese posttranslationale Modifikation führt dazu, die lokale Chromatinstruktur in einen transkriptionell repressiven Zustand zu bringen. Ihre korrekte Etablierung ist entscheidend für die koordinierte Stilllegung von Genen während der gesamten Entwicklung von Säugetieren.

Polycomb Response Element (PRE)

Die Polycomb Response Elemente (PREs) wurden in Drosophila-Genen entdeckt und als DNA-Fragmente definiert, die die Aufrechterhaltung der stillgelegten Expression eines Transgens bewirken.r12 PREs rekrutieren den PRC2-Komplex, der das Lysin 27 des Histons H3 (H3K27me3) dreifach methyliert. Dies ist eine Markierung, die von PcG-Proteinen des PRC1-Komplexes erkannt wird, um die Gen-Stilllegung zu bewirken.r4 PREs können insgesamt mehrere Aufgaben erfüllen: Sie rekrutieren Proteine der PcG- und TrxG-Familie. Sie nehmen abhängig vom Status von Promotoren und Enhancern eine aktiven oder einen stillgelegten Zustand an. Diesen Zustand können sie für längere Zeit aufrechterhalten. Der Zustand kann jedoch bei neuen Signalen wieder gewechselt werden.r13

PREs sind unabhängig von den Zellkonzentrationen der PcG- und TrxG-Proteine. Sie nehmen einen aktiven oder stillgelegten Zustand ein, indem sie auf den Status der zugehörigen Enhancer und Promotoren reagieren. PREs erhalten den Transkriptionsstatus aufrecht, der ursprünglich durch Transkriptionsfaktoren bestimmt wurde. Diese Aufrechterhaltung kann über viele Zellgenerationen hinweg bestehen, auch wenn die anfänglich bestimmenden Transkriptionsfaktoren fehlen. Hiermit haben PREs die Möglichkeit, ein stabiles epigenetisches Gedächtnis von stillgelegten als auch von aktiven Transkriptionszuständen zu liefern. Während die Eigenschaften von PREs und den DNA-Sequenzen, die sie definieren, bei Drosophila gut charakterisiert sind, haben sich ihre Gegenstücke bei Säugetieren als sehr schwer fassbar erwiesen.r13

Es wurde gezeigt, dass PREs verschiedener PcG-Ziele auch über große Entfernungen hinweg miteinander interagieren können, z.B. werden in Drosophila PcG-Proteine über Polycomb Response Element (PRE)-Sequenzen zum Chromatin rekrutiert, die mehrere zehn Kilobasen von ihren Zielgenen entfernt sein können.r9

Weitere Untersuchungen zeigten, dass PcG-Komplexe, die an verschiedene PREs gebunden sind weder notwendig noch ausreichend sind für eine Fernwirkung zwischen den PcG-Bindungsstellen zu vermitteln. Es wurde gezeigt, dass Isolatoren, nicht Polycomb Response Elements (PREs), Assoziationen zwischen Polycomb Group (PcG) Zielen vermitteln, um Polycomb-Körper zu bilden.r8 Versuche zeigten auch, dass ein zwischen einem PRE- und einem PcG-Zielgen platzierter Isolator die Wechselwirkung zwischen dem PRE und dem entfernten Promotor verhinderte. Dadurch wurde dessen Stilllegung blockiert Deshalb kann davon ausgegangen werden, dass es eher die isolatorbindende Proteine und nicht die PcG-Komplexe sind, die für die höhere Organisation von PcG-Zielen im Zellkern verantwortlich sind. Mit Isolatoren kann die Chromatin-Konformation so geändert werden, dasss sich Chromatinschleife ausbilden. Mit disen Schleifen ist der Isolator in der Lage, ein stromaufwärts gelegenes PRE mit einem stromabwärts gelegenen Gen in Kontakt zu bringen. Andererseits scheinen PcG-Proteine auch zur Funktion von Isolatorproteinen beizutragen.r3

Aufbau

Polycomb-Körper gelten als proteinbasierte Strukturen, die durch Anhäufung von PcG-Proteinen gebildet werden. Jedoch zeigen andere Studien, dass sie eher als eine chromosomale Domäne angesehen werden als ein proteinbasiertes Kernkörperchen. Darauf deuten auch Experimente zur Kinetik hin, die die vollständige Rückgewinnung von PcG-Proteinen außerhalb der PcG-Körper zeigen. Frühere Studien haben die gleiche Anzahl von PcG-Körpern im Kern wie die Anzahl der auf Polytänchromosomen beobachteten Bänder festgestellt. Dies deutet darauf hin, dass PcG-Körper durch PcG-Proteine gebildet werden, die an ihr Zielchromatin binden. Einige Studien besagen, dass PcG-Körper als Wirtsorte für PcG-Zielgene dienen. Elektronenmikroskopisch konnte gezeigt werden, dass PcG-Körper Bereichen entsprechen, die aus kondensierten, ca. 100 nm dicken Chromatinfäden bestehen. Zusätzlich kommen noch Gene dazu, die PcG binden: Es wird erwartet, dass die PcG-Zielgene eine weitere Komponente des PcG-Körpers sind. Die Bedeutung für die strukturelle Basis diese Komponenten ist jedoch ziemlich umstritten.r3 Die Abschnitte der DNA, die an PcG-Proteine binden, werden aus ihrem chromosomalen Kontext herausgeschleift und in den proteinbasierten PcG-Körper lokalisiert. Dort werden die dort vorhandenen Gene stillgelegt. Dies deutet darauf hin, dass die gebildeten DNA-Schleifen die PcG-Körper als stilllegende Fabriken nutzen, anstatt sie strukturell zu ihrem Aufbau dienen.r3 r4

Für den Aufbau von Polycomb-Körpern gibt es drei Modelle, die die gerade erwähnten Punkte berücksichtigen:r3

A) Ein Polycomb-Körper bildet sich wie ein typisches Kernkörperchen, basierend auf Proteinen. Er bildet sich durch eine Anhäufung von PcG-Proteinen und ist im Interchromatin-Kompartiment angesiedelt.

B) Polycomb-Körper bilden eine Ansammlung von DNA-reichem Chromatin. An diese DNA gebunden sind die PcG-Proteine.

C) Der Polycomb-Körper wird durch eine Ansammlung von Polycomb-Proteinen gebildet, die an ihre Zielgene gebunden sind. Diese Gene bilden Schleifen aus ihrem Chromatin-Kontext heraus. Der PcG-Körper ist hier im Euchromatin lokalisiert.

PC-Körper kolokalisieren mit dem Histon H3K27me3 und bilden kleine Kerndomänen von unterschiedlicher Intensität. PcG-Körper gehören nicht zu den am stärksten verdichteten Chromatinanteilen des euchromatischen Teils des Genoms. Diese Verteilung von PcG-Körpern steht im Einklang mit einer früheren Studie mit der Elektronenmikroskopie, die gezeigt hat, dass Polycomb-Moleküle im Perichromatin-Kompartiment des Säugerkerns konzentriert ist Im Zellkern ist das dekondensierte Perichromatin am Rand des inaktiven Chromatins angeordnet. Darüber hinaus scheinen RNAs auch eine bedeutende Rolle bei der PcG-vermittelten Genabschaltung zu spielen. Beispielsweise erwiesen sich RNAi-Komponenten als wichtig für das Clustering von PREs oder der Funktion von Isolatoren. RNAs könnten die wichtige Botenstoffe und Regulatoren von Strukturkomponenten des PcG Körpers sein.r3 r4

Dynamik

Die strukturelle Beschaffenheit und Funktion von Polycomb-Körpern und die Zusammensetzung dieser Körper durch unterschiedliche Varianten der PcG-Proteine wurden durch verschiedene Experimente untersucht. Hierbei wurde auch die Kinetik von PcG-Proteinen erforscht. Im Allgemeinen wurde gezeigt, dass PcG-Proteine schnell in diesen Körpern ausgetauscht wurden.r3 Dies deutet darauf hin, dass Polycomb-Körper aus PcG-Proteine bestehen. Weitere Analysen ergaben, dass die Anzahl der Polycomb-Körper und die Anzahl Bänder, die auf Polytänchromosomen sichtbar sind, gleich sind. Die beobachtete Kolokalisation von PcG-Zielgenen mit Polycomb-Körpern in diploiden Zellen bestätigt diese Ansicht. Die Dynamik von Polycomb-Proteinen außerhalb der Polycomb-Körpern scheint höher zu sein als innerhalb der Polycomb-Körper. Die Polycomb-Proteine bewegen sich hierin langsamer und es gibt eine größere Variablität der Kinetik.r3 r4

Polycomb-Körper bewegen, treffen und teilen sich während der Entwicklung einer Zelle dynamisch. Ihre Bewegung hat lässt sich in zwei Kategorien einteilen: eine schnelle, stark eingeschränkte Bewegung und eine langsamere. Die schnelle Bewegung von Polycomb-Körpern und auch Chromatin-Domänen zeigen ihre eigene schnelle und stark eingeschränkte Bewegung. In diesem Bewegungsregime bewegen sich Polycomb-Körper in Volumina, die etwas größer sind als die von kondensierten Chromatin-Domänen. Bei der langsamen Bewegung unterziehen sich Chromatin-Domänen und Polycomb-Körper koordiniert weiträumigen Bewegungen, die der Bewegung ganzer Chromosomenterritoriums entsprechen können. Beide Bewegungsabläufe verlangsamen sich während der Entwicklung zunehmend, was darauf hindeutet, dass die Regulierung der Chromatindynamik eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung der Genabschaltung in differenzierten Zellen spielen kann. Durch Zeitraffer-Bildgebung von Chromosomen wurde gezeigt, dass einige Abschnitte des Chromatins eine Brownsche Bewegung erfahren. Die Bewegung jedes Abschnitts beschränkte sich jedoch auf eine Teilregion des Zellkerns. Die Bewegung chromosomaler Loci wurde als konsistent mit einem random walk beschrieben. Die schnelle Bewegung von PC-Körpern und Chromatin-Domänen, die während der frühen Embryogenese beobachtet wurde, nimmt in späten Entwicklungsstadien stark ab, was auf einen möglichen Beitrag der Chromatindynamik zur Aufrechterhaltung eines stabilen Gen-Silencing hinweist. Auch die Temperatur beeinflusst die Bewegung von Chromatin-Domänen und Polycomb-Körpern. Die Bewegung von PC-Körpern reagiert weniger empfindlich auf die Temperatur während der Embryogenese, während die Bewegung von Chromatin-Domänen von der Temperatur während der gesamten Embryogenese abhängt.r4

Als Gegenspieler zu den Polycomb-Körpern könnten die Transkriptionsfabriken angesehen werden. Diese binden sich an aktives Chromatin und akkumulieren an einer Stelle Transkriptionsfaktoren, damit die Transkription effizient ablaufen kann. Es gibt mehrere Modelle, nach denen Polycomb-Zielgene zwischen Polycomb-Körpern pendeln, wenn sie unterdrückt werden, und zu Transkriptionsfabriken, wenn sie transkriptionell aktiv sind.r3

Funktionen

Hierarchieebenen der Genomorganisation von Drosophila

Einzelne Chromosomen decken eine bestimmte Region innerhalb des Kerns ab, die Chromosomenterritorien. Mit zunehmender Auflösung bestehen Chromosomen aus topologisch assoziierten Domänen (TADs). Dies konnte durch die Chromosome Confirmation Capture Technik konnte bestimmt werden, da sich bestimmte Abschnitte von Chromosomen untereinander häufiger miteinander reagieren als mit weiter entfernten. Diese TADs sind scharf von einander an Bindungsstellen von Isolatoren wie z.B. CTCF abgegrenzt. Diese TADs unterscheiden sich anhand unterschiedlicher Arten von Histonmodifikationen und der Chromatinzugänglichkeit. TADS, in denen die Transkription aktiv durchgeführt wird, enthalten entsprechende Histon-Markierungen. Durch diese Gruppierung des Chromatins können ganze Gen-Komplexe aktiv oder inaktiv geschaltet werden. So werden z.B. nach der Differenzierung von embryonalen Stammzellen die gesamte TAD-Struktur und die Lage der TAD-Grenzen nicht verändert. Es treten nur kleine Umlagerungen auf, die mit einer Umverteilung der Markierungen der Histone korrelieren, und so Teile des Chromatin aktivieren und stilllegen. Die PRE-Regionen, an denen die Polycomb-Proteine gebunden sind, bilden mit Hilfe des Polycomb-Körper solche TADs. Das Chromatin von aktiven TADs wird mit durch H3K4me3, inaktive mit dem Histon H3K27me3 markiert. Das hierarchische Netzwerk, das von der Rekrutierung von PcG-Proteinen bis zum Gen-Silencing führt, ist weithin akzeptiert.r3 r15

Wie wird sichergestellt, dass die Repression auch bei Zellteilung aufrechterhalten wird? Während der DNA-Replikation werden durch postranslationale Modifikation die elterlichen Histone wieder auf die entstehende DNA aufgebracht. Neu synthetisierte Histone liefern den zusätzlichen Bedarf an Nukleosomen an der entstehenden DNA. Durch diese Koexistenz von elterlichen und neuen Histonen könnten die Markierungen auf elterlichen Histonen als Blaupause für die Modifikation von neuen Histonen in der Nähe dienen. Das Histon H3K27me3 könnte so als epigenetisches Merkmal betrachtet zu werden, das an einem bestimmten Ort über Zellteilungen hinweg stabil gehalten wird. Jedoch zeigen detaillierte Analysen, dass eine genaue Ausbreitung von H3K27me3 eine kontinuierliche Modifikation neuer Histone sowie bisher unveränderter elterlicher Histone über mehrere Zellgenerationen erfordert. Weitere Forschungen zeigten, dass es für die Markierung der Histone nicht erforderlich ist, dass H3K27me3 an einer bestimmten Position lokalisiert ist. Es reicht aus, dass über ein gewisses Gebiet verteilte Markierungen ein Schwellenniveau erreicht wird, um den epigenetischen Zustand aufrechtzuerhalten.r15

Einzelnachweise

• r1 (C) A view of nuclear Polycomb bodies https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3329586/
• r2    CC BY 3.0 2012 A repetitive elements perspective in Polycomb epigenetics  10.3389/fgene.2012.00199
• r3 (C) 2014 Structural Basis of Polycomb Bodies  https://fb.cuni.cz/file/5740/fb2014a0027.pdf
• r4    CCA 2012 Progressive Polycomb Assembly on H3K27me3 Compartments Generates Polycomb Bodies with Developmentally Regulated Motion https://journals.plos.org/plosgenetics/article?id=10.1371/journal.pgen.1002465
• r5 (C) 2011 User License Are Polycomb Group Bodies Gene Silencing Factories? https://www.cell.com/fulltext/S0092-8674(11)00007-9
• r8    CCA 2013 Insulators Target Active Genes to Transcription Factories and Polycomb-Repressed Genes to Polycomb Bodies   https://journals.plos.org/plosgenetics/article?id=10.1371/journal.pgen.1003436
• r9 (C) 2015  One, Two, Three: Polycomb Proteins Hit All Dimensions of Gene Regulation https://pdfs.semanticscholar.org/ae96/7c235d69c016438b7a94d876cbefe0428276.pdf
• r12 (C) 2016 Formation of a Polycomb-Domain in the Absence of Strong Polycomb Response Elements  https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4965088
• r10  (C) 201Biogenesis and Function of Nuclear Bodies1 https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3144265/
• r13   CC by 4.0 2015 The quest for mammalian Polycomb response elements: are we there yet? https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4901126/
• r15    CC by NC 4.0 2015 Regulation of gene transcription by Polycomb proteins https://advances.sciencemag.org/content/1/11/e1500737/tab-article-infor
• r16 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0092867417308905
• r17: (C) 2010  https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2926751/