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Dissecting the roles of PRC1 and PRC2 in maintenance of ES cell identity
Jorge Arturo Zepeda Martinez
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Zentrum für Molekulare Biologie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doctor of Philosophy-Doktoratsstudium NAWI Bereich Lebenswissenschaften (Dissertationsgebiet: Molekulare Biologie)
Betreuer*in
Oliver Bell
DOI
10.25365/thesis.53912
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-13102.00431.779658-8
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Polycomb Repressive Complex 1 und 2 (PRC1 und PRC2) sind Transkriptionsrepressor-Komplexe, die für die Differenzierung von Maus-embryonalen Stammzellen (ES Zellen) essentiell sind. Ob sie eine Rolle bei deren Selbsterneuerung von ES Zellen spielen ist jedoch unklar. Die genetische Inaktivierung von PRC1- und PRC2-Untereinheiten hat nur geringe Auswirkungen auf die Genexpression und Selbsterneuerung von ES Zellen. Im Gegensatz dazu führt die doppelte Inaktivierung der paralogen PRC1-katalytischen Untereinheiten Ring1 und Rnf2 (Ring1 / Rnf2 dKO) zur Aktivierung von Differenzierungsgenen und zum Verlust der Selbsterneuerungskapazität. Somit bleibt unklar, ob Polycomb tatsächlich für die Aufrechterhaltung der ES-Zellidentität erforderlich ist, oder ob der Verlust der Selbsterneuerung in Ring1 / Rnf2 dKOs eine PRC1-unabhängige Rolle der katalytischen Untereinheiten widerspiegelt. PRC1-Komplexe unterteilen sich in kanonische PRC1 Komplexe (cPRC1), die ein Chromobox Protein (Cbx) aufweisen das an PRC2-katalysierte H3K27me3 bindet, und Varianten von PRC1 (vPRC1), die Rybp-Untereinheiten enthalten, die sich mit Cbx gegenseitig ausschließen. Auf der anderen Seite is die Binding von vPRC1 an Zielgene unabhängig von PRC2 und H3K27me3. Basierend auf diesen unabhängigen Rekrutierungsmodi und teilweise überlappenden Zielgenen stellte wir die Hypothese auf, dass PRC2 / cPRC1 und vPRC1 zusammenarbeiten, um die ES-Zellidentität aufrechtzuerhalten, indem sie Schlüsselgene der Differenzierung robust unterdrücken.
Mit Hilfe eines chemisch-genetischen Proteinabbau-Systems konnten wir zeigen, dass in den ES-Zellen von Mäusen Eed und Rybp, Kernuntereinheiten von PRC2 und vPRC1, synthetisch letal sind, vergleichbar mit Ring1 und Rnf2 Doppel-Inaktivierung. Induzierter Abbau von Rybp in Eed Mutantenzellen führte zum Verlust der Selbsterneuerung und Aktvierung von Polycomb-Zielgenen. Darüber hinaus zeigte unsere genomweite Analyse, dass eine parallele Beeinträchtigung von PRC2 und vPRC1 dazu führt, dass die katalytische Kernuntereinheit Rnf2 von PRC1 nicht an Chromatin bindet und somit zur Aktivierung von Zielgenen führt. Aktivierung findet hauptsaechlich an Genen statt, die in Wildtyp-Zellen hohe Mengen an PRC1- und PRC2 gebunden haben. Im Vergleich dazu fuehrt Bivalenz von H3K4me3 und H3K27me3 nicht präferentiell zur transkriptionellen Aktivierung in Abwesenheit von PRC2 und vPRC1. Diese Ergebnisse unterstützen ein Modell, in dem PRC2 / cPRC1 und vPRC1 synergistisch Ring1 / Rnf2-Aktivität an Zielgenen induzieren, um eine robuste Aufrechterhaltung der Transkriptionsrepression von Entwicklungsgenen sicherzustellen und die Selbsterneuerungskapazität sowie Identität von ES Zellen sichern.
Abstract
(Englisch)
Polycomb Repressive Complexes 1 and 2 (PRC1 and PRC2) are transcriptional repressors essential for differentiation of mouse Embryonic Stem (ES) cells. However, whether they play a role in self-renewal is debated. Genetic deletion of PRC1 and PRC2 subunits have minor effects on gene expression and self-renewal of mouse ES cells. In contrast, double deletion of the paralogous PRC1 catalytic subunits Ring1 and Rnf2 results in de-repression of Polycomb target genes and loss of self-renewal capacity. Thus, it remains unclear if indeed Polycomb is required for maintenance of ES cell identity, or alternatively loss of self-renewal in Ring1/Rnf2 dKOs reflects a PRC1-independent role of the catalytic subunits. PRC1 complexes subdivide into canonical PRC1 (cPRC1) that harbor a chromo box protein (Cbx), which binds to PRC2-catalized H3K27me3, and variant PRC1 (vPRC1) complexes that are characterized by the Rybp subunit, which is mutually exclusive with Cbx. vPRC1 has been shown to bind un-methylated CpG islands independent of PRC2. Based on their independent modes of recruitment and partially overlapping target genes, I hypothesized that PRC2/cPRC1 and vPRC1 cooperate to maintain ES cell identity by robustly repressing key differentiation genes.
Using a chemical genetic protein degradation system, we show that in mouse ES cells Eed and Rybp, core subunits of PRC2 and vPRC1, are synthetic lethal, analogous to Ring1 and Rnf2 double knockout. Conditional degradation of Rybp in Eed null cells leads to loss of self-renewal and de-repression of shared Polycomb target genes. Moreover, genome-wide analysis demonstrates that parallel impairment of PRC2 and vPRC1 results in failure to deliver PRC1 catalytic core subunit Rnf2 to chromatin, which is the underlying cause of target gene de-repression. Unexpectedly, genes with the highest Polycomb-dependent chromatin modifications in wild-type cells are most sensitive to loss of PRC1 recruitment and catalytic activity. In contrast, promoters decorated with bivalent nucleosome modifications of H3K27me3 and H3K4me3 are not predictive of transcriptional depression, challenging the model of poised chromatin state at these genes. These results support a model whereby PRC2/cPRC1 and vPRC1 synergize to deliver Ring1/Rnf2 activity to common target genes to ensure robust maintenance of transcriptional repression of developmental genes, thus safeguarding ES cell identity and self-renewal capacity.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
Polycomb chromatin epinetics
Schlagwörter
(Deutsch)
Polycomb Chromatin Epigenetik
Autor*innen
Jorge Arturo Zepeda Martinez
Haupttitel (Englisch)
Dissecting the roles of PRC1 and PRC2 in maintenance of ES cell identity
Paralleltitel (Deutsch)
Analyse der Rollen von PRC1 und PRC2 in der Aufrechterhaltung der ES-Zellidentitaet
Publikationsjahr
2018
Umfangsangabe
85 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Luciano Di Croce ,
Christian Seiser
Klassifikation
42 Biologie > 42.13 Molekularbiologie
AC Nummer
AC15182663
Utheses ID
47630
Studienkennzahl
UA | 794 | 685 | 490 |