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Relevance of heterochromatin topology in genome silencing during (retro) differentiation

Jost, K.Laurence :
Relevance of heterochromatin topology in genome silencing during (retro) differentiation.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2011)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Relevance of heterochromatin topology in genome silencing during (retro) differentiation
Language: English
Abstract:

Zelldifferenzierung ist von der korrekten Genexpression in Raum und Zeit abhängig. Da jede Zelle die gleiche DNA enthält müssen epigenetische und Transkriptionsfaktoren diese streng kontrollieren. Schon kleine Abweichungen vom korrekten Differenzierungsprogramm können zu schweren Schäden bis hin zum Tod führen. Protein–DNA-Komplexe, genannt Chromatin, sind für eine globale Form der Genregulation verantwortlich. Viele epigenetische Faktoren modifizieren DNA und Histone direkt, zum Beispiel durch das Anbringen von Methylierungs- und Azetylierungsmarkierungen, welche direkten Einfluss auf Chromatin-Kompaktierung und damit dessen Zugänglichkeit nehmen. Besonders dicht kompaktiertes Heterochromatin, welches hauptsächlich inaktive Gene enthält, könnte einen negativen Expressionseffekt auf benachbarte Gene ausüben. In Mauszellen ist Heterochromatin in zwei Formen aufzufinden, als Cluster innerhalb des Nukleus (Chromocenter) und als dünne Schicht an der nukleären Peripherie. Bisherige Studien, welche sich mit dem Einfluss von Heterochromatin auf die Genexpression befasst haben, kommen zu unterschiedlichen Ergebnissen. Manche Studien unterstreichen den repressiven Effekt von Heterochromatin auf die Genexpression, während andere diesen Effekt nicht beobachten konnten. Diese gegensätzlichen Ergebnisse könnten auf methodische Unzulänglichkeiten in der Distanzmessung zurückzuführen sein. Chromatin unterliegt im Allgemeinen einer starken Umstrukturierung während der Differenzierung. Dieser Punkt wurde in bislang publizierten Messungen häufig unbeachtet gelassen wird. Vor allem in Chromocentern findet eine ausgeprägte Umstrukturierung von vielen kleinen Clustern zu wenigen großen Clustern statt. Zusätzlich verändern sich die Größe und Form des Zellkerns, welches die Distanzmessungen zusätzlich beeinflusst. Im Rahmen der hier vorgestellten Arbeit habe ich eine Methode entwickelt, welche den Einfluss der Zellmorphologie auf die Distanzmessung korrigiert und einen unverfälschten Vergleich zwischen verschiedenen Zelltypen und Stadien ermöglicht. Mit dieser neuen Methode konnte ich die Distanzen von Gen zu Heterochromatin zwischen verschiedenen Pluripotenz- und Differenzierungsstadien vergleichen. Um den Einfluss von Heterochromatin-Reorganisation selbst zu erforschen, war es nötig, diese vom Differenzierungsprozess zu entkoppeln. Dies wurde durch die ektopische Expression von Methyl CpG binding protein (MeCP2) ermöglicht, welches zu ähnlicher heterochomatischer Umorganisation wie in der Differenzierung führt. Mit Hilfe bekannter und neuentwickelter Methoden war es mir möglich zu zeigen, dass die Position eines Genes im Verhältnis zu Heterochromatin stark vom jeweiligen genetischen Umfeld des Genes abhängig ist. Genrepositionierung in Relation zu Chromocentern ist hingegen nicht an die Änderungen der Genexpression während der Differenzierung gekoppelt. Im Gegensatz zu bereits veröffentlichten Hypothesen, konnte ich im Falle von Repositionierung zur Peripherie eine negative Korrelation zur Genexpression beobachten. Dies bedeutet, dass die Peripherie mehr einen aktivierenden als einen repressiven Einfluss haben könnte. Wurde die Chromatin-Reorganisation hingegen nur durch MeCP2 Expression ausgelöst, wurde eine eine positive Korrelation zwischen Genexpression und Distanzänderung zu Chromocentern beobachtet. Dies unterstreicht den Effekt von Chromatin-Reorganisation auf Genexpression, welcher sonst von anderen Prozessen während der Differenzierung überdeckt wird. Auch in diesem Versuch konnte kein repressiver Einfluss der Peripherie auf die Genexpression gezeigt werden. Zusammengefasst lässt sich feststellen, dass konstitutives Heterochromatin (Chromocenter) in einigen Fällen einen repressiven Effekt auf die Genexpression ausübt, während fakultatives Heterochromatin eine aktivierende Funktion besitzt.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Cellular differentiation depends on the expression of the right genes at the right time. As each cell contains the same DNA, transcriptional and epigenetic factors have to maintain tight control over gene expression. Even a small divergence from the correct differentiation program can lead to severe defects and even death. The protein–DNA complexes that constitute chromatin provide a global level of gene regulation. Many epigenetic factors directly modify DNA or histones with methylation or acetylation marks that influence transcription by changing chromatin compaction and therefore accessibility of the DNA. Especially heterochromatin which is highly compacted and is known to mostly contain transcriptionally inactive genes could exert silencing functions on neighboring genes even on different chromosomes. In mouse cells, heterochromatin can be found in two distinct forms; as clusters within the nucleus (chromocenter) and as a thin layer at the nuclear periphery. Previous studies analyzing the effect of heterochromatin on gene expression of neighboring genes presented a mixed picture. Some studies underline the repressive effect of heterochromatin proximity on genes whereas others did not observe this effect. The conflicting results might be due to experimental difficulties of obtaining meaningful distance measurements in cells. A point often overlooked is chromatin reorganization. Especially chromocenters undergo large-scale reorganization during differentiation changing from multiple small to few larger chromocenters. In addition, nuclear size and shape change which also influences distance measurements. In the presented thesis, I developed a method to eliminate morphological bias in distance measurements that improves our ability to study the influence of heterochromatin and its reorganization on gene expression. Using this bias-free method, I compared gene to heterochromatin distances between pluripotency/differentiation states and cell types. To elucidate the role of heterochromatin reorganization in the absence of other regulatory programs, I uncoupled heterochromatin reorganization from the differentiation process. This was achieved by ectopic expression of methyl CpG binding protein 2 (MeCP2), which induces a similar level of chromatin reorganization, as observed during differentiation. Combining the newly developed tools and known methods, I could establish that gene position within a nucleus is highly influenced by the genetic context of the individual gene. Gene repositioning in relation to chromocenters is not coupled to gene expression changes during differentiation. In the case of distances to the periphery a negative correlation could be observed, suggesting that the periphery may act as an activating rather than a repressing compartment contrary to the previously suggested hypothesis. I was able to show a positive correlation between gene expression and chromocenter proximity when heterochromatin reorganization was induced by expression of MeCP2. This underlines the effect of chromatin reorganization on gene expression which is concealed by other processes during differentiation. Also in these experiments, the periphery did not exert any repressive effect on gene expression but rather showed an activating effect. In conclusion, I could demonstrate that constitutive heterochromatin can have a silencing effect on gene expression whereas facultative heterochromatin acts as an activator of gene expression. English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
Divisions: 10 Department of Biology > Cell Biology and Epigenetics
Date Deposited: 03 Jun 2013 12:01
Last Modified: 03 Jun 2013 12:01
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-33656
Referees: Cardoso, Prof. Dr. M. Cristina and Thiel, Prof. Dr. Gerhard
Refereed: 19 December 2011
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3365
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