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The role of Polycomb group proteins in X chromosome inactivation and embryonic stem cell biology

Martin Leeb

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Lebenswissenschaften

Betreuer*in

Anton Wutz

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DOI

10.25365/thesis.5934

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-29740.80672.878355-7

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Polycomb Proteine haben eine wichtige Bedeutung für die Regulation von zellulären Differenzierungsprozessen, Tumorigenese und Imprinting in Säugetieren. Sie sind evolutionär konserviert und dafür verantwortlich die Transkription von Genen stabil über mehrere Zellteilungen epigenetisch zu hemmen. In genomweiten Studien wurde nachgewiesen, dass Polycomb Proteine in embryonalen Stammzellen an mehr als 2500 Promotoren binden. Gene, die von Polycomb Proteinen gebunden werden, haben eine zentrale Steuerfunktion in der embryonalen Entwicklung. Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass in frühen embryonalen Zellen durch Polycomb Proteine epigenetische Muster gesetzt werden, die für Differenzierungsprozesse notwendige dynamische Änderungen im Transkriptionsprofil ermöglichen. Zwei unterschiedliche Polycomb Komplexe wurden biochemisch nachgewiesen. Beide besitzen enzymatische Aktivität, welche gegen Histone gerichtet ist. Der „Polycomb repressive complex 1“ (PRC1) vermittelt die Mono-Ubiquitinierung von Histon H2A, wogegen PRC2 für die Histon H3 Tri-Methylierung an Lysin 27 verantwortlich ist. Beide Histon Modifikationen sind charakteristisch für transkriptionell inaktives Chromatin. In Knockout Studien wurde gezeigt dass beide Komplexe essentiell für die embryonale Entwicklung sind und dass das Fehlen eines der beiden Komplexe zum Entwicklungsstopp in der Gastrulation führt. In meiner Dissertation beschreibe ich zuerst die Funktion des PRC1 Komplexes in embryonalen Stammzellen bezüglich der Regulation von Differenzierungs-Kontrollgenen sowie der X Chromosom Inaktivierung. Meine Resultate belegen, dass der Verlust eines funktionellen PRC1 Komplexes zur Expression von Differenzierungs-Kontrollgenen führt, welche in Wiltdtyp ES Zellen inaktiv sind. Im Gegensatz dazu bleibt die transkriptionelle Repression des inaktiven X Chromosoms aufrecht. Meine Resultate und Ergebnisse aus früheren Studien werfen die Frage auf, in welchem Ausmaß die PRC1 and PRC2 Komplexe überlappende Funktionen im Bezug auf die Regulation von Polycomb gebundenen Genen sowie in der frühen Differenzierung haben. Um eine mögliche Redundanz zwischen den beiden Polycomb Komplexen zu analysieren wurden die zentralen Proteine beider Komplexe durch homologe Rekombination zerstört. In diesen doppelt defizienten (dKO) ES Zellen wurden Gene identifiziert, die von PRC1 und PRC2 redundant inhibiert werden. Im Gegensatz zu Eed-/- oder Ring1B-/- ES Zellen, resultiert der Verlust von beiden PcG Komplexen darin, dass keine Teratome gebildet werden können, was darauf hindeutet, dass beide PcG Komplexe eine redundante Funktion in der Differenzierung ausüben. Meine Resultate weisen darauf hin, dass eine Anzahl von PcG gebundenen Genen von beiden Polycomb Komplexen redundant reguliert wird. Die transkriptionelle Regulation durch PcG Proteine ist jedoch nicht auf Gene beschränkt. Meine Ergebnisse zeigen, dass endogene Retroviren von Polycomb Proteinen gebunden und reguliert werden. Zusammenfassend zeigen meine Resultate eine unerwartete Redundanz zwischen PRC1 und PRC2 in der Regulation der Genexpression und in Differenzierungsprozessen, sowie eine essentielle Funktion von Polycomb Proteinen im Schutz der genomischen Integrität durch die Repression von parasitären DNA Sequenzen.

Abstract

(Englisch)

Polycomb complexes establish epigenetic patterns for maintaining gene repression by modifying histone tails. Polycomb complex mediated epigenetic marks are thought to be important for establishing and maintaining cellular identity. In mammals, PcG proteins regulate tumorigenesis, imprinting and dosage compensation. A role in the regulation of self renewal and pluripotency of embryonic stem (ES) cells has been proposed. In order to delineate the function of PcG complexes their genomic binding sites have been determined. In mouse ES cells approximately 2500 PcG target genes have been identified, many of which have central functions in embryonic development. PcG proteins have been proposed to maintain pluripotency by inhibiting the transcription of lineage specifying genes. Developmental plasticity is conferred by the lineage specific activation of PcG target genes in the course of differentiation. Two catalytically active PcG complexes have been biochemically characterized. Polycomb repressive complex 1 (PRC1) contains the ubiquitin E3 ligase Ring1B and catalyses mono-ubiquitination of Lysine 119 on histone H2A (ubH2A). PRC2 contains the PcG proteins Eed, Suz12 and Ezh2, which catalyses tri-methylation of Lysine 27 on histone H3 (H3K27me3). The catalytic functions of PRC1 and PRC2 are essential for development and mutations in either Eed or Ring1B lead to developmental arrest soon after implantation. In my thesis I investigated the function of the PcG system in embryonic stem cell biology and X chromosome inactivation. For this, I first generated Ring1B deficient ES cells by homologous recombination. I found that the deletion of Ring1B disrupts the PRC1 complex, and several PRC1 member proteins as well as ubH2A are absent in Ring1B-/- cells. Furthermore, the deletion of PRC1 function results in derepression of lineage control genes which are normally not expressed in ES cells. Despite the strong perturbance of epigenetic gene repression and the destabilization of the ES cell state, X chromosome inactivation was unaffected by the loss of PRC1 activity. The activity of PRC2 remained unaffected and H3K27me3 was recruited to the inactive X chromosome. Vice versa, PRC2 deficiency leads to the absence of H3K27me3 genome wide and on the Xi, whereas PRC1 recruitment to the Xi and genomic ubH2A levels remain largely unaffected. This indicates that parallel modes of PRC1 and PRC2 recruitment exist and that these marks are, to a large extent, independent of each other. To address the redundancy of PRC1 and PRC2 and the role of the PcG system in maintaining pluripotency, I have established an ES cell line deficient for PRC1 and PRC2 by concomitant deletion of Ring1B and Eed. My data provide genetic evidence for an unexpected redundancy between PRC1 and PRC2 and show that the PcG system is essential for the maintenance of differentiated cell types. Furthermore, endogenous retroelements are identified as novel targets for PcG regulation and are activated in the absence of PcG repression. This indicates that apart from its function in gene regulation, the PcG system plays a role in maintaining genome integrity by the repression of parasitic DNA sequences.

Autor*innen

Martin Leeb

Haupttitel (Englisch)

The role of Polycomb group proteins in X chromosome inactivation and embryonic stem cell biology

Paralleltitel (Deutsch)

Die Funktion von Polycomb Proteinen in der X Chromosom Inaktivierung und der Biologie von embryonalen Stammzellen

Publikationsjahr

2009

Umfangsangabe

93 S., [2] Bl. : Ill., graph. Darst.

Sprache

Englisch

Beurteiler*innen

Kristian Helin ,

Leonie Ringrose

Klassifikationen

42 Biologie > 42.15 Zellbiologie ,

42 Biologie > 42.20 Genetik

AC Nummer

AC07451708

Utheses ID

5326

Studienkennzahl

UA | 091 | 441 | |

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Schlagwörter