Förderprojekte

Förderbeginn 01.07.2011

Epigenetische Effekte metabolischer Veränderungen

Prof. Dr. Axel Imhof
Ludwig-Maximilians-Universität München
Adolf-Butenandt-Institut, Lehrstuhl für Stoffwechselbiochemie

Prof. Dr. Paolo Sassone-Corsi
University of California, Irvine
Department of Pharmacology

Histonmodifizierende Enzyme üben einen starken Einfluss auf die Expression bestimmter Gene aus, weshalb häufig das Muster von Histonmodifikationen den Expressions-Status des darunterliegenden Gens bestimmt. Viele dieser Enzyme benötigen zentrale Moleküle des Intermediärmetabolismus als Kofaktoren wie zum Beispiel SAM, NADH Acetyl-COA oder die α Keto-Glutarsäure. Dieser Zusammenhang macht ihre Aktivität sehr stark von der Stoffwechsellage einer bestimmten Zelle abhängig. Durch die Möglichkeit umfassender proteomischen und metabolomischen Analysen können solche kausalen Beziehungen erstmals im Detail untersucht werden.

Die Expertisen der beiden beteiligten Gruppen (Imhof LMU und Sassone-Corsi UCI) ergänzen sich ideal um eine solche Analyse in Angriff zu nehmen. Dazu werden zunächst die physiologischen Veränderungen im Rahmen circadianer Rhythmen untersucht und in Bezug zur Veränderung der Histonmodifikationsmuster, sowie der Modifikationen von nicht-Histon Proteinen untersucht.

Abschlussbericht
Im BaCaTeC Projekt 3/2011-1 sollten die vermuteten engen Beziehungen zwischen metabolischen Veränderungen und Änderungen der Genexpression (Katada et al., 2012) genauer untersucht werden. In noch andauernden Experimenten wurden die Veränderungen der Histonmodifikationsmuster im Verlauf des circadianen Tages und nach Knockout des AcCoA Synthetase (Sahar und Vollmer Manuskript in Vorbereitung) und verschiedener Sirtuin Enzyme (Masri und Barth, Manuskript in Vorbereitung) analysiert. Erste Ergebnisse zeigen hierbei, dass die Konzentration von AcCoA variable Auswirkungen auf verschiedene Lysinreste was auf eine komplexe Wechselbeziehung zwischen bestimmten Stoffwechsellagen und den Histonmodifikationen hindeutet. Im Laufe des Projekts wurde klar, dass verschiedene metabolische Zustände nicht nur einen starken Einfluss auf die Modifikation von Histonen, sondern auch auf den posttranslationalen Modifikationen anderer Proteine haben. Aus diesem Grund wurde die reversible Lysine Acetylierung abhängig von der Uhr durch quantitative Massenspektrometrie untersucht (Masri et al, 2013). Dazu wurde ein Acetylom ind WT-und Clock-defizienten (Clock-/-) Maäusen aufgenommen und mit den bereits bekannten Konzentrationsmustern von Metaboliten verglichen. Unsere Analyse zeigte, dass besonders Proteinen mitochondrialer Stoffwechselwege stark durch reversible Acetylierungsvorgänge beeinflusst werden. Vor allem Stoffwechselwege wie der Zitronensäurezyklus sowie der Aminosäure- und Fettsäure Stoffwechsel wiesen eine hohe Zahl von detektierten Acetylierungen auf und sind überproportional im Acetylom angereichert. Die Veränderungen der posttranslationalen Modifikation metabolisch aktiver Enzyme deuten auf einen starken Zusammenhang und möglicherweise einer Vielzahl von regulatorischen Schaltkreisen während der Koordination der biologischen Uhr mit dem Stoffwechsel hin. Es wird in Zukunft interessant sein solche Schaltkreise näher zu untersuchen und damit ein besseres Verständnis der Zusammenhänge von Stoffwechsel und der biologischen Uhr zu gewinnen.

Veröffentlichungen

• Katada S, Imhof A, Sassone-Corsi P. Connecting threads: epigenetics and metabolism. Cell. 2012 Jan 20;148(1-2):24-8.
• Circadian acetylome reveals regulation of mitochondrial metabolic pathways. Masri S, Patel VR, Eckel-Mahan KL, Peleg S, Forne I, Ladurner AG, Baldi P, Imhof A, Sassone-Corsi P. Proc Natl Acad Sci U S A. 2013 Jan 22. [Epub ahead of print]