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Chromatin association of LAP2alpha and A-type lamins regulates early myogenic differentiation

Simona Ferraioli

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Zentrum für Molekulare Biologie

Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)

Doctor of Philosophy-Doktoratsstudium NAWI Bereich Lebenswissenschaften (DissG: Molekulare Biologie)

Betreuer*in

Roland Foisner

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DOI

10.25365/thesis.74723

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-26440.88981.262295-7

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Die Organisation und Regulierung des Genoms sind grundlegende Funktionen der eukaryontischen Zellkerne. Viele Proteine und Kernstrukturen sind an diesen Prozessen beteiligt und für die korrekte Regulierung des Genoms notwendig. Unter diesen spielt die Kernlamina eine wichtige Rolle. Lamine, die Hauptkomponenten der Kernlamina, sind an einer Vielzahl von Prozessen beteiligt, wie der Verankerung des Chromatins an der Kernperipherie, der Regulierung der Genexpression, der DNA-Reparatur und -Replikation, der Regulierung der Loci-Dynamik und vielem mehr. Diese Funktionen können das Ergebnis einer direkten Bindung von Lamin an Chromatin oder indirekter Effekte sein, die auf die Interaktion von Laminen mit anderen Faktoren zurückzuführen sind. Während Lamine des B-Typs nur an der Kernperipherie vorkommen, bilden Lamine des A-Typs auch einen löslichen Pool, der sich im gesamten Zellkern verteilt. Diese weit verbreitete Lokalisierung macht die A-Typ-Lamine sehr interessant für die Untersuchung der Funktionen von Lamin in der Chromatinorganisation, da sie sowohl mit dem an der Peripherie befindlichen Teil des Genoms als auch mit dem Chromatin im Kerninneren interagieren können. In Übereinstimmung mit ihrer unterschiedlichen Lokalisierung wurde die Bindung von B-Typ-Laminen an Chromatin hauptsächlich in langen, genarmen und unterdrückten Regionen, den so genannten lamina-assoziierten Domänen (cLADs), beobachtet, während A-Typ-Lamine auch an aktive, genreiche Genomregionen binden. Die Untersuchung von A-Typ-Laminen kann daher dazu beitragen, Mechanismen zu verstehen, die für die Regulierung des aktiven Teils des Genoms und ihre Rolle bei der Genexpression relevant sind. Darüber hinaus können die A-Typ-Lamine mit weiteren Faktoren im Kerninneren interagieren, was ihr Funktionsspektrum möglicherweise erweitert. Unter diesen interagierenden Proteinen ist LAP2alpha ein interessanter Kandidat für die Genomregulation, da es direkt und indirekt an die DNA binden kann und mit aktiven Genomregionen assoziiert ist. LAP2alpha reguliert auch den Zustand des Zusammenbaus der nukleoplasmatischen Lamine und die Bindung von A-Typ-Laminen und anderen epigenetischen Regulatoren an Chromatin. Die Bindung von A-Typ-Laminen und LAP2alpha an aktives Chromatin eröffnet somit die Möglichkeit, ihre bisher unerforschte Rolle bei der Genregulation in verschiedenen zellulären Prozessen zu untersuchen. In dieser Arbeit untersuche ich die Bindung von A-Typ-Laminen und LAP2alpha an Chromatin während der Differenzierung von Myoblasten. Ich bestätige die Bindung dieser Proteine an genreiche genomische Regionen und zeige, dass sich diese Bindung im Verlauf der Differenzierung dynamisch umgestaltet. Im Gegensatz zu Lamin A/C, sind die an LAP2alpha gebundenen genomischen Regionen während der Differenzierung mit unterschiedlich exprimierten Genen angereichert, aber die Gene werden nur selten direkt von LAP2alpha und Lamin A/C gebunden. Lamin A/C und insbesondere LAP2alpha können also die Genexpression eher durch lokale Anreicherung in Chromatinregionen beeinflussen, die an unterschiedlich exprimierte Gene angrenzen, als durch ihre direkte Bindung an Gene. Dies stimmt mit meiner Beobachtung überein, dass die Abreicherung von Lamin A/C an der Startstelle der Gentranskription stark mit der Genexpression korreliert und bei nicht-exprimierten Genen fehlt. Darüber hinaus zeige ich, dass der Verlust von LAP2alpha zu einer Umverteilung von A-Typ-Laminen auf dem Chromatin führt, insbesondere in proliferierenden Myoblasten. In LAP2alpha-depletierten Myoblasten reichern sich die A-Typ-Lamine in Regionen an, die Gene enthalten, die an der Myoblastendifferenzierung beteiligt sind und von denen einige dereguliert werden. Daher könnte die Anreicherung von A-Typ-Laminen in Regionen, die für Myoblasten relevante Gene enthalten, nach dem Verlust von LAP2alpha deren ordnungsgemäße Regulierung beeinträchtigen, was zu Differenzierungsdefekten führt. Schließlich berichte ich über vorläufige Daten, die Veränderungen der Chromatinzugänglichkeit in LAP2alpha-depletierten Myoblasten im Vergleich zu ihren WT-Pendants zeigen. Ich stelle die Hypothese auf, dass Veränderungen in der Chromatinzugänglichkeit ein Mechanismus sein könnten, durch den der Verlust von LAP2alpha und folglich die Umverteilung von Lamin des Typs A auf dem Chromatin die Genexpression beeinflusst. Die Aufklärung der Mechanismen, durch die LAP2alpha und Lamin A/C die Chromatinregulation beeinflussen, ist ein wichtiger Schritt, um ihre Rolle bei Krankheiten wie Laminopathien zu verstehen, und könnte uns möglicherweise der Entwicklung wirksamer Behandlungen näherbringen.

Abstract

(Englisch)

The organization and regulation of the genome are fundamental functions of eukaryotic nuclei and involve many proteins and nuclear structures. Among these, the nuclear lamina at the nuclear periphery plays an important role. Lamins, the main components of the nuclear lamina, are involved in a plethora of processes like chromatin anchorage to the nuclear periphery, gene regulation, DNA repair and replication, chromatin dynamics, and more. These functions are mediated by the direct binding of lamins to chromatin and indirectly through interaction of lamins with other chromatin associated factors. While B-type lamins are only confined to the nuclear periphery, A-type lamins also form a soluble, highly mobile pool that diffuses throughout the nucleus. This widespread nuclear localization makes A-type lamins particularly interesting for studying lamin functions in chromatin organization since they interact with both heterochromatic genomic regions at the periphery and with active chromatin in the nuclear interior. In concordance with their different localization, B-type lamins mainly associate with long, gene-poor, and repressed regions called lamina associated domains (cLADs), while A-type lamins also bind to active, gene-rich genomic regions. However, if and how A-type lamins regulate genes in active chromatin regions is unknow. A-type lamins interact with several factors in the nuclear interior, potentially increasing their range of functions. Among these interacting proteins, LAP2alpha is a prominent candidate for mediating genome regulation, since it directly and indirectly binds DNA via several domains, and it was reported to associate with active genomic regions. LAP2alpha also regulates the assembly state of nucleoplasmic lamins and the binding of A-type lamins and other epigenetic regulators to chromatin. Thus, studying the binding of A-type lamins and LAP2alpha to active chromatin opens the possibility to study their so far unexplored role in gene regulation in various cellular processes. In this thesis, I investigate association of A-type lamins and LAP2alpha to chromatin during myoblasts differentiation, in vitro. My data confirm the binding of these proteins to gene-rich genomic regions and additionally demonstrate a dynamic rearrangement of mainly LAP2alpha chromatin association, at early stages of myogenic differentiation. Unlike A-type lamins, LAP2alpha-bound genomic regions are enriched in differentially expressed genes during differentiation, although LAP2alpha is not enriched on the genes directly. Therefore, LAP2alpha may affect gene expression through local enrichment at chromatin regions adjacent to differentially expressed genes rather than through its direct association with genes. A-type lamins seem to be kept away from gene-rich regions and are strongly depleted at the gene transcription start site of expressed genes. Loss of LAP2alpha leads to the redistribution of A-type lamins to gene-rich genomic regions, particularly in proliferating myoblasts. In LAP2alpha-depleted myoblasts, A-type lamins enrich also in regions containing myogenic genes, a subgroup of which is deregulated in LAP2alpha knockout cells. My data indicate that the spreading of A-type lamins to genomic regions containing myoblast-relevant genes upon loss of LAP2alpha may impair their proper regulation, leading to differentiation defects, as previously shown. Finally, preliminary analyses show that chromatin accessibility may be changed genome-wide in LAP2alpha-depleted versus wild-type myoblasts. Overall, my data suggest that LAP2alpha facilitates correct gene regulation during early myogenesis by providing a chromatin environment around active myogenic genes, allowing their regulation by other chromatin regulatory proteins. In addition, LAP2alpha may inhibit spreading of A-type lamins to active chromatin by so far unknown mechanisms. Elucidating the mechanisms through which LAP2alpha and A-type lamins affect chromatin regulation is an important step towards understanding their role in lamin-linked diseases (laminopathies), possibly bringing us closer to the development of effective therapies.

Autor*innen

Simona Ferraioli

Haupttitel (Englisch)

Chromatin association of LAP2alpha and A-type lamins regulates early myogenic differentiation

Paralleltitel (Deutsch)

Chromatin-Assoziation von LAP2alpha und A-Typ-Laminen reguliert die frühe myogene Differenzierung

Publikationsjahr

2023

Umfangsangabe

104 Seiten : Illustrationen

Sprache

Englisch

Beurteiler*innen

Chiara Lanzuolo ,

Dea Slade

Klassifikation

42 Biologie > 42.13 Molekularbiologie

AC Nummer

AC16990680

Utheses ID

68461

Studienkennzahl

UA | 794 | 685 | 490 |

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Schlagwörter