2024 Dezember - Johannes Benedum

Johannes Benedum, MSc

MedUni Wien RESEARCHER OF THE MONTH, Dezember 2024

Die Jury „Researcher of the Month” verleiht die Auszeichnung für diesen Monat Herrn Johannes Benedum, MSc aus Anlass der im Top-Journal „Nature Communications“ (IF 16.6) erschienenen Arbeit „The SPOC proteins DIDO3 and PHF3 co-regulate gene expression and neuronal differentiation“[1]. Die multidisziplinäre Studie entstand im Rahmen des Master und PhD-Studiums von J. Benedum an den Max Perutz Labs in der Arbeitsgruppe von Assoc.-Prof.ⁱⁿ Dr.ⁱⁿ D. Slade (Leiterin der Biologischen Forschung an der Universitätsklinik fürm Radioonkologie) in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Univ. Prof. Dr. B. Zagrovic (Leiter des Departments für Strukturbiologie und Computational Biology, Universität Wien) und
Dr. A. Akalin (Leiter der Abteilung Bioinformatics and Omics Data Science, Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin (MDC), Berlin).

 

DIDO3 und PHF3: Transkriptionelle Regulatoren der neuronalen Differenzierung

In einem vielzelligen Organismus kann eine unangemessene Genexpression in einer Zelle, ohne konsequente Induktion der Apoptose, zu Neoplasmen führen. Daher ist die Erforschung der Mechanismen, die die Transkription kontrollieren, von entscheidender Bedeutung, um zu verstehen, wie sich Zellen entwickeln, ihre Identität bewahren und wie eine Dysregulation der Transkription zu Krankheiten führen kann.

Transkription von proteinkodierenden Genen in mRNA erfolgt durch den enzymatischen Proteinkomplex RNA Polymerase II (Pol II). An diesen binden verschiedene Effektoren, die kooperativ und redundant agieren, um spezifische Transkriptionsprogramme präzise einzustellen. Diese Effektoren beeinflussen die Chromatinstruktur, regulieren die Aktivität von Pol II oder modifizieren RNA.

Die C-terminale Domäne (CTD) von Pol II spielt eine entscheidende Rolle bei der Rekrutierung von Effektoren, die spezifische Phosphorylierungsmuster an der CTD erkennen. Die paralogen Proteine DIDO3 und PHF3 sind an dieser Feinabstimmung der Genexpression beteiligt [3], insbesondere bei der Elongation der Transkription [4]. Ihre genauen Funktionen und der Mechanismus sind jedoch noch nicht vollständig verstanden. Beide Proteine besitzen eine SPOC-Domäne (Spen Paralogue and Orthologue C-terminal domain), die mit der C-terminalen Domäne von Pol II interagiert [3]. In einer vorangehenden Studie konnte gezeigt werden, dass die Deletion der SPOC-Domäne von PHF3 zu einer Dysregulation von neuronalen Genen führt [4].

Das DIDO-Gen kodiert für drei Isoformen: DIDO1, DIDO2 und DIDO3. Die SPOC-Domäne ist jedoch nur in der längsten Isoform DIDO3 vorhanden [1]. In embryonalen Stammzellen unterstützt DIDO3 aktiv die Aufrechterhaltung des Stammzellstatus, während die Expression von DIDO1 den Prozess der Zelldifferenzierung einleitet [5].  Interessanterweise wird DIDO3 in PHF3-Knockout-Zellen hochreguliert, während gleichzeitig DIDO1 herunterreguliert wird. Eine Hypothese ist, dass DIDO3 aufgrund seiner SPOC-Domäne den Verlust von PHF3 kompensieren könnte, was ein erstes Beispiel für den Wechsel von Protein-Isoformen als Kompensationsmechanismus wäre. Tatsächlich zeigt die Studie, dass die Proteine einen gleichen Pool von Genen regulieren und dass der Verlust von einem zum Teil vom anderen kompensiert werden kann [1].

Beide Proteine bilden über die gemeinsame Plattform von Pol II einen makromolekularen Komplex, um die Genexpression genau abzustimmen. Innerhalb dieses Komplexes verankert DIDO3 Pol II an Chromatin, während PHF3 Pol II mit Faktoren verbindet, die RNA modifizieren. Die Ergebnisse zeigen, dass PHF3 und DIDO3 über ihre SPOC-Domänen die Transkriptionsmaschinerie mit Regulatoren verknüpfen können, die sowohl an der Transkription als auch an den ko-transkriptionellen Prozessen beteiligt sind. Die Studie beleuchtet damit einen bedeutenden Regulationsmechanismus der Genexpression und zeigt dass dieser besonders relevant ist bei der neuronalen Entwicklung [1].

Wissenschaftliches Umfeld

Johannes Benedum begann 2019 seine wissenschaftliche Tätigkeit in der Arbeitsgruppe von Assoc.-Prof.ⁱⁿ Dr.ⁱⁿ D. Slade an den Max Perutz Labs, einem Joint Venture der Medizinischen Universität Wien und der Universität Wien am Vienna BioCenter, im Rahmen seines Masterstudiums an der Universität Wien. In seiner Masterarbeit untersuchte er die Genprodukte von DIDO1 und wie diese die Transkription der RNA-Polymerase II regulieren.  Nach Abschluss seines Masterstudiums setzte er seine Forschung im Bereich der Transkriptionsregulation fort, wobei er sich auf die dynamische Phosphorylierung des Transkriptionsapparates konzentriert. Diese Forschung setzt er in der Arbeitsgruppe von Assoc.-Prof.ⁱⁿ Dr.ⁱⁿ D. Slade im Rahmen seiner PhD-Studiums fort.

Seit 2023 wird sein Projekt gefördert durch das DOC-Program der Österreichischen Akademie der Wissenschaften.

Zur Person

Von 2012 bis 2017 studierte Johannes Benedum Ernährungswissenschaften an der Universität Wien. Aufgrund seines eher mechanistischen Interesses wechselte er im Masterstudium zur Molekularbiologie. Seit 2021 ist Johannes PhD-Student im PhD-Programm des Vienna BioCenter. Sein Interesse gilt den Mechanismen der Regulation der Genexpression.

Ausgewählte Literatur

1. Benedum, J., Franke, V., Appel, L. M., Walch, L., Bruno, M., Schneeweiss, R., ... & Slade, D. (2023). The SPOC proteins DIDO3 and PHF3 co-regulate gene expression and neuronal differentiation. Nature Communications, 14(1), 7912.

2. Appel, L. M., Benedum, J., Engl, M., Platzer, S., Schleiffer, A., Strobl, X., & Slade, D. (2023). SPOC domain proteins in health and disease. Genes & Development.

3. Appel, L. M., Franke, V., Benedum, J., Grishkovskaya, I., Strobl, X., Polyansky, A., ... & Slade, D. (2023). The SPOC domain is a phosphoserine binding module that bridges transcription machinery with co-and post-transcriptional regulators. Nature Communications, 14(1), 166.

4. Appel, L. M., Franke, V., Bruno, M., Grishkovskaya, I., Kasiliauskaite, A., Kaufmann, T., ... & Slade, D. (2021). PHF3 regulates neuronal gene expression through the Pol II CTD reader domain SPOC. Nature Communications, 12(1), 6078.

5. Fütterer, A., de Celis, J., Navajas, R., Almonacid, L., Gutiérrez, J., Talavera-Gutiérrez, A., ... & Martinéz-A, C. (2017). DIDO as a switchboard that regulates self-renewal and differentiation in embryonic stem cells. Stem cell reports, 8(4), 1062-1075.