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Regulation of cellular memory by non-coding transcription through Polycomb group response elements

Schmitt, Sabine

German Title: Regulation des Zellgedächtnisses durch nicht-kodierende Transkription durch "Polycomb group response elements"

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The formation of functionally distinct cell types from a single zygote is a fundamental aspect of metazoan development. The specification of cell identities usually occurs during early development, long before this information is used during differentiation. The molecular basis of cell fate specification is the activation of characteristic gene expression programs. A prerequisite for the appropriate differentiation of cells according to their fate is therefore the faithful transmission of once established gene expression states throughout phases of cell proliferation and growth. This task is accomplished by the so-called cellular memory. A paradigm to study the molecular basis of the cellular memory is the regulation of homeotic gene expression in Drosophila. A number of studies have shown that the cellular memory is an epigenetic mechanism based on the modification of the chromatin structure. This is accomplished through the antagonizing activities of repressive PcG (Polycomb group) and activating TrxG (Trithorax group) proteins. The recruitment of both PcG as well as TrxG proteins to their target loci depends on the presence of identical cis-regulatory elements termed Polycomb group response elements, or PREs. How is the decision between epigenetic silencing and activation at a PRE taken? Presumably, the default state of a PRE is to function as a PcG-dependent silencer, whereas the conversion into the active mode requires incoming signals. It has previously been shown that the epigenetically active state at a PRE correlates with non-coding transcription through these elements themselves. This raised the question whether the non-coding transcription is of functional significance for the epigenetic activation of a PRE, or if it reflects only a consequence of this process. The major aim of this thesis was to determine whether the transcription through the well-characterized Fab-7 PRE has any function in the regulation of the epigenetic state of this element. In the first part, a transgenic reporter system was used to answer this question. The results obtained show that the transcription through Fab-7 functions as a novel anti-silencing mechanism that counteracts the PcG-mediated repression by default. Depending on the tissue and/or on the locus, transcription through PREs may be required throughout development to prevent the re-establishment of PcG silencing. Importantly, PREs located outside the homeotic gene complexes are also transcribed, suggesting that the anti-silencing function of transcription through PREs may be a fundamental aspect of the cellular memory. In the second part, the transgenic reporters mentioned above were used to analyze the epigenetic consequences of transcription through the Fab-7 PRE. The results suggest that at least on the transgene, both repressive PcG as well as activating TrxG proteins associate with the Fab-7 PRE, irrespective of the epigenetic state of this element. The primary function of transcription through the Fab-7 PRE may therefore be to modulate the activities of PcG/TrxG complexes, rather than regulating their differential recruitment to the chromatin. To get insight into the precise function of non-coding transcription through PREs, the properties Fab-7 RNA were investigated in SF4 tissue culture cells in vitro, as well as in wildtype embryos in vivo. Although a sequence-specific function of Fab-7 RNA is unlikely, the results obtained do not exclude structural function of non-coding PRE transcripts. Futhermore, Fab-7 RNA can be detected on mitotic chromatin, suggesting that the transmission of epigenetically activated states through cell division might depend on the timing of non-coding transcription with respect to the cell cycle and/or the association of non-coding RNAs with the chromatin. Since the functions of PcG/TrxG proteins have been conserved during evolution, the results presented here might have implications on our understanding of epigenetic gene regulation in mammals.

Translation of abstract (German)

Die Bildung funktionell unterschiedlicher Zelltypen ist ein entscheidender Prozess in der Entwicklung eines multizellulären Organismus. Dabei findet die Determination von Zellen gewöhnlich während der frühen Entwicklung statt, wohingegen ihre Differenzierung erst in späteren Stadien beginnt. Auf molekularer Ebene wird die Determination von Zellen durch die Expression einer charakteristischen Kombination von Genen erreicht. Eine zentrale Voraussetzung für die geordnete Differenzierung von Zellen gemäß ihrer Identität ist daher die Aufrechterhaltung der spezifischen Genexpression über viele Zellteilungen hinweg. Diese Aufgabe übernimmt das so genannte Zellgedächtnis. Ein geeignetes Modellsystem zur Erforschung des molekularen Mechanismus des Zellgedächtnisses ist die Regulation der homöotischen Genexpression in Drosophila melanogaster. Zahlreiche Studien belegen, dass die Grundlage des Zellgedächtnisses ein epigenetischer Mechanismus ist. Die Aktivitäten der Polycomb-Gruppen (PcG) Proteine verändern die Chromatinstruktur in einer Weise, die Transkription verhindert, und vermitteln so die Vererbung des reprimierten Zustands. Im Gegensatz dazu führen die Aktivitäten der Trithorax-Gruppen (TrxG) Proteine zur Bildung einer transkriptionell kompetenten Chromatinstruktur, und sind so für die Vererbung aktiver Genexpression verantwortlich. Die Rekrutierung sowohl von PcG als auch von TrxG Proteinen an das Chromatin hängt von identischen cis-regulatorischen Elementen ab, den sogenannten Polycomb group response elements (PREs). Dies wirft die Frage auf, wie an einem gegebenen Lokus die Entscheidung zwischen epigenetischer Repression und Aktivierung getroffen wird. Der Grundzustand eines PREs ist vermutlich die PcG-abhängige Repression, während das Umschalten in den epigenetisch aktivierten Zustand externe Signale benötigt. Interessanterweise korreliert die epigenetische Aktivierung von PREs mit nicht-kodierender Transkription durch diese Elemente selbst. Eine zentrale Frage ist, ob diese Transkription eine regulatorische Funktion hat, oder ob sie eine Konsequenz der epigenetischen Aktivierung ist. Das Hauptziel dieser Arbeit war es, die Funktion der nicht-kodierenden Transkription durch PREs zu klären. Durch die Analyse eines transgenen Reportersystems konnte gezeigt werden, dass die Transkription durch das Fab-7 PRE als Anti-Silencing Mechanismus fungiert, der der PcG-abhängigen Repression direkt entgegenwirkt. Die Transkription spielt hierbei vermutlich nicht nur eine wichtige Rolle in der Etablierung epigenetischer Aktivierung, sondern wird auch für deren Aufrechterhaltung während der gesamten Entwicklung benötigt. Interessanterweise werden auch PREs ausserhalb der bisher untersuchten homöotischen Genkomplexe transkribiert. Die Transkription durch PREs hat daher vermutlich eine generelle Funktion in der Regulation des Zellgedächtnisses. Im zweiten Teil der Arbeit wurden die epigenetischen Konsequenzen der Transkription durch das Fab-7 PRE untersucht. In der transgenen Situation sind sowohl PcG als auch TrxG Proteine an Fab-7 gebunden, unabhängig vom epigenetischen Status des PRE. Die Hauptfunktion der Transkription durch PREs könnte daher die Modulation der Aktivitäten von PcG und TrxG Proteinen sein. Um Einsicht in die molekulare Funktion der Transkription durch PREs zu erhalten, wurden die Eigenschaften der nicht-kodierenden RNAs untersucht. Da die Aktivierungsfunktion nicht-kodierender Transkription unabhängig von ihrer Orientierung ist, ist eine sequenz-spezifische Funktion der PRE Transkripte unwahrscheinlich. Die Ergebnisse schließen jedoch eine strukturelle Rolle der RNAs nicht aus. Interessanterweise konnte Fab-7 RNA an mitotischen Chromosomen detektiert werden. Somit könnte die Vererbung epigenetisch aktiver Chromatinstrukturen durch die Zellzyklus-abhängige Transkription und/oder direkt durch die Assoziation nicht-kodierender RNAs mit dem Chromatin vermittelt werden.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Paro, Prof. Dr. Renato
Date of thesis defense: 11 April 2006
Date Deposited: 24 Apr 2006 09:25
Date: 2006
Faculties / Institutes: The Faculty of Bio Sciences > Dean's Office of the Faculty of Bio Sciences
Subjects: 570 Life sciences
Uncontrolled Keywords: Zellgedächtnis , Chromatin , Transkription , Polycomb , Trithoraxcellular memory , chromatin , transcription , Polycomb , Trithorax
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