mini|Stilllegung von Entwicklungsgenen durch Polycomb-Körper. Molekülkomplexe der Polycomb-Gruppe binden sich an regulatorische Abschnitte der DNA (PRE) und aggregieren sich innerhalb von Polycomb-Körpern. Das Chromatin wird dabei stark zusammengefaltet. Dadurch werden die Gene dieses DNA-Abschnitts stillgelegt. Polycomb-Körper () sind Proteinkomplexe im Zellkern, die unter anderem in Pflanzen, Fliegen (wie Drosophila) und Säugetieren nachgewiesen wurden. Sie sind vermutlich an Teile des Chromatins gebunden.Vincenzo Pirrotta: Polycomb Group Proteins. ISBN 0-12-809737-X, S. 61 (). Nach einer Immunfärbung entstehen mikroskopisch sichtbare Strukturen innerhalb des Zellkerns. Ihre Größe und Anzahl variiert innerhalb verschiedener Zelltypen, und ihre Verteilung ist abhängig vom Entwicklungszustand der Zelle. Sie enthalten eine hohe Konzentration an Polycomb-Proteinen. Diese Proteine der Polycomb-Gruppe sind wichtige Faktoren, die die Stilllegung von Entwicklungsgenen auch über mehrere Zellteilungen hinweg aufrechterhalten. Sie sind für die normale Entwicklung mehrzelliger Organismen unerlässlich. In Säugetieren sind sie an grundlegenden Prozessen wie dem zellulärem Gedächtnis, Zellproliferation, genomischer Prägung, X-Inaktivierung und der Krebsentwicklung beteiligt. In Pflanzen sind sie u. a. an der Zelldifferenzierung und der Vernalisation – der Prozess, durch den das Blühen durch lang anhaltende Kälte beschleunigt wird – beteiligt. Die Regulation der Zellentwicklung durch Polycomb-Proteine wurde intensiv anhand des Modellorganismus Drosophila melanogaster erforscht. Die Polycomb-Proteine modifizieren die Histone des Chromatins in der Weise, dass Gene unzugänglich für die Proteine der Transkriptionsmaschinerie der Zelle und damit praktisch stillgelegt werden. Dies wird Gen-Silencing genannt. Die so stillgelegten DNA-Abschnitte sammeln sich in den Polycomb-Körpern. Diese Stilllegung kann später auch wieder aufgehoben werden.
Zum Aufbau der Polycomb-Körper gibt es mehrere Modelle, die sie entweder als proteinbasierte Strukturen ansehen oder als Körperchen, die aus Chromatin bestehen. Die Polycomb-Körper bewegen sich innerhalb des Zellkerns und bringen so unterschiedliche Bereiche des Chromatins in Verbindung. Polycomb-Proteine werden innerhalb der Polycomb-Körper ständig ausgetauscht.
Einführung Innerhalb eukaryotischer Zellen enthält der Zellkern das Erbgut in Form der DNA, sichtbar als Chromatin. Zu einem bestimmten Zeitpunkt wird jeweils jedoch nur ein Teil der Gene benötigt. Dies ist abhängig vom Entwicklungszyklus der Zelle und vom Zelltyp. Hierbei 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. Die DNA wickelt sich hier kompakt zu Nukleosomen auf, wird mit weiteren Proteinen gebunden und stark komprimiert. So sind die Gene unzugänglich für die Enzyme, die diese ablesen. Bei aktiven Genen ist das Chromatin nicht so kompakt ausgebildet; es bilden sich DNA-Schleifen aus, von denen die Gene abgelesen werden. Insbesondere sind hier die Regulationsbereiche für Gene wie Promotoren und Enhancer für die Regulationsproteine zugänglich. Diese dreidimensionale Organisation von Genen ist wichtig zur Regulierung der Genexpression, das heißt, wie die Information der Gene in Proteine umgesetzt werden kann.
Zentraler Bestandteil von Nukleosomen sind die Histon-Proteine, deren Eigenschaften durch Bindung von weiteren Proteinen verändert werden können. Die Funktion von Polycomb-Proteinen ist unter anderem, die Transkription von Genen zu unterdrücken. Dies geschieht unter anderem durch chemische Änderung der Histon-Proteine. Eine dieser Änderungen ist die Methylierung einiger Histone. Ein zentraler Teil der Stilllegung der DNA ist die Methylierung des Histons Nr. 3 (bezeichnet als H3K27me3) innerhalb eines Nukleosoms. Dies geschieht mit Hilfe von Komplexen aus Polycomb-Molekülen.
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 ein 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. Dabei wurden epigenetische Regulatoren in Form von zwei Gruppen von Genen entdeckt: Die Gene der Polycomb-Gruppe (PcG) und der Trithorax-Gruppen (TrxG). Die Enzyme von PcG und TrxG vermitteln die Modifikation der Histone. Durch die Proteine der Polycomb-Gruppe 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 in 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. Sie enthalten durch Polycomb-Proteine stillgelegte Gene. Polycomb-Körper bewegen, treffen und teilen sich während der Entwicklung dynamisch. Pro Zelle liegt die Anzahl dieser Körper zwischen 12 und 16 und der Durchmesser beträgt 0,3–1,0 µm. Polycomb-Körper unterscheiden sich in Größe und Menge an Polycomb-Proteinen. Insbesondere PcG-Domänen, das heißt DNA-Abschnitte mit einer längeren linearen Größe, zeigen einen höheren Gehalt an Polycomb-Proteinen und erzeugen größere Polycomb-Körper.
Polycomb-Körper wurden in Säuger- und Drosophila-Zellkernen durch Immunfärbung mit Antikörpern gegen PcG-Proteine beobachtet. 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.
Mit genomweiten Analysen mithilfe von Techniken wie der Chromosome Conformation Capture konnte die Verteilung von Polycomb-Proteinen und der Markierung der Histone bestimmt werden. Die Ergebnisse deuten auf eine hierarchische Organisation der regulierten Gene hin. Die erste Ebene besteht aus kurzen einzelnen Regionen der DNA, 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. Die zweite Ebene dieser Organisation wird bestimmt durch das Clustering einzelner PREs in Polycomb-Domänen. Diese Regionen werden mit dem Histon H3K27me3 und teilweise durch Polycomb-Proteine markiert. Diese PREs können miteinander interagieren, um dreidimensionale Strukturen zu bilden. Auf einer solchen hierarchischen Organisationsebene von PcG-Domänen befinden sich die Polycomb-Körper. Die Polycomb-Domänen können Kontakte über weit entfernte DNA-Regionen hinweg vermitteln. Dadurch bildet sich ein Netzwerk aus Polycomb-Proteinen und DNA aus. Dabei entstehen Chromatin-Schleifen mit PcG-gebundenen regulatorischen Elementen und den Promotoren von PcG-Zielgenen, deren Transkription unterdrückt wird. Bei PREs wurde gezeigt, dass sie weit entfernte Stellen auf dem gleichen oder einem anderen Chromosom kontaktieren können. Diese Kontakte werden wahrscheinlich durch nicht-kodierende RNAs (ncRNA), Isolatoren oder über RNA-Interferenz (RNAi) vermittelt.
mini|Linkes Bild: Geschlechtskamm (sex comb) eines Beins einer männlichen Drosophila. Rechtes Bild: Mutierte Variante Im Jahr 1947 wurde das erste Gen der Polycomb-Gruppe, Polycomb, in Drosophila melanogaster von Pamela Lewis entdeckt. 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.
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.
Bei Pflanzen ist die Existenz von Polycomb-Körpern schwierig nachzuweisen. Es gibt jedoch mehrere Indizien dafür, dass sich Polycomb-Komponenten oder ihre Ziel-Gene zu Clustern zusammenlagern. Dort unterdrückt das Protein „LPH1“, das funktionale pflanzliche Homolog von Polycomb, die Genexpression. Durch bildgebende Verfahren konnte im pflanzlichen Modellorganismus Arabidopsis (Ackerschmalwand) das Verteilungsmuster von LHP1 im Zellkern von einem einheitlichen Muster in meristematischen Zellen bis hin mehreren unterscheidbaren Foci in ausdifferenzierten Zellen variieren. Diese Beziehung zwischen der LHP1-Verteilung und dem Differenzierungsstatus der Zelle erinnert an die Verbindung zwischen Polycomp-Körpern und der Zelldifferenzierung bei Tieren.
Beteiligte Proteine und DNA-Abschnitte PcG-Proteine mini|3D-Rekonstruktion des menschlichen PRC2-AEBP2-Komplexes Die Proteine der Polycomb-Gruppen sind wichtige Entwicklungsregulatoren, die die Expression von Hunderten von Genen steuern. 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 Polycomb-Körpern auf. Hierbei vermitteln die in den Polycomb-Körpern befindlichen PcG-Komponenten die Chromatin-Kondensation ihrer Zielgene. Dies geschieht, indem sich mehrere Proteine der PcG-Gruppe zu Molekülkomplexen (PRC1 und PRC2) verbinden. Diese können die Histone der Nukleosomen so modifizieren, dass diese sich mit der daran aufgewickelten DNA zu einer kompakten Chromatinstruktur zusammenlagern. Dadurch werden die darin enthaltenen Gene sozusagen stillgelegt, da die DNA hier nicht mehr abgelesen werden kann (Gen-Silencing). Es hat sich gezeigt, dass PcG-Komplexe Chromatin auch in vitro verdichten und die DNA-Zugänglichkeit in vivo reduzieren.
Meistens sind PcG-Proteine diffus im Zellkern verteilt. In einigen Zelltypen bilden sie jedoch auch Körper, die durch Fluoreszenzmikroskopie sichtbar sind, unabhängig davon, mit welcher Methode sie aufgenommen wurden. Das Verteilungsmuster der PcG-Proteine und der damit verbundenen Histonmarkierungen ist zelltypabhängig.
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. So trägt die dreidimensionale Organisation von PcG-Proteinen wesentlich zu deren 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. Diese Kontakte von weit entfernten DNA-Abschnitten könnten durch nicht-kodierende RNAs, Isolatoren, DNA-Elementen und RNAi-Maschinen vermittelt werden.
In Drosophila gibt es spezifische regulatorische DNA-Abschnitte, die Polycomb Group Response Elements (PREs) genannt werden. An diesen Stellen binden die PcG-Proteinkomplexe die DNA. Studien mit Drosophila lieferten hier experimentelle Beweise für eine sequentielle Bindung von PcG-Komplexen an diese PREs. Zum Beispiel legen PcG-Proteine die Hox-Gene durch Bindung an cis-regulierende DNA-Module still.