German Title: Unterschiedliche Rollen der Polycomb-Repressionskomplexe beim Synovialsarkom

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Abstract

Das Synovialsarkom ist ein aggressives Weichteilsarkom, welches durch die SS18-SSX1/2/4 (SS18-SSX) Genfusion ausgelöst wird. Der SS18-Teil des Fusionsgens ist Teil des BRG1/BRM-assoziierten Faktors (BAF)-Komplexes, welcher in der Chromatinreorganisation und der Transkriptionsaktivierung von Bedeutung ist. Der SSX-Schwanz lenkt den Komplex auf Ziele des Polycomb repressiven Komplexes 1 (PRC1), welcher als Transkriptionsrepressor wirkt. Die resultierende abnorme Hochregulierung von Genen durch SS18-SSX führt zur Tumorigenese und Aufrechterhaltung von Synovialsarkomen. Bedauerlicherweise fehlen bis heute Strategien, die herausgehobene Rolle von SS18-SSX therapeutisch nutzbar zu machen. In diesem Projekt konzentrierte ich mich daher auf die Identifizierung der kritischen Domänen der SS18-SSX-Genfusion sowie ihrer nachgeschalteten Zielgene. Zunächst konnte ich SSXRD als wichtigste Domäne von SS18-SSX identifizieren. Diese Domäne ist für die Bindung von SS18-SSX an die Loci seiner Zielgene durch Erkennung von ubiquitiniertem Histon H2A verantwortlich. Um funktionell besonders relevante Zielgene zu identifizieren, führte ich einen CRISPR-Dropout-Screen durch, welcher auf Gene abzielte, deren genomische Loci entweder direkt von SS18-SSX gebunden werden oder anderweitig in Synovialsarkomen überexprimiert sind. Ich identifizierte PCGF3, eine Komponente von PRC1.3, als starke und selektive Abhängigkeit in Synovialsarkomen. Bei weiteren Untersuchungen zeigte sich von allen kanonischen und nicht-kanonischen PRC1-Komplexen lediglich für PRC1.1 (PCGF1) und PRC1.3 (PCGF3) eine funktionelle Abhängigkeit in Synovialsarkomen. Ich führte Transkriptionsanalysen und Onkofusions-Chromatin-Belegungsprofile durch, um festzustellen, dass, obwohl PCGF1 und PCGF3 beide Teil von PRC1-Komplexen sind, sie im Synovialsarkom unterschiedliche Wirkungsweisen haben. Der Knockout von PCGF3 führt hauptsächlich zu einer Hochregulierung von Genen, die als Transkriptionsrepressoren in Synovialsarkomen wirken. Bei der weiteren Analyse der Auswirkungen des PCGF3-Knockouts auf die Bindung von SS18-SSX stellte ich fest, dass SS18-SSX in Abwesenheit von PCGF3 umverteilt wird und an bestimmten Stellen verstärkt bindet. Diese Stellen entsprechen Loci von Genen, die durch das Ausschalten von PCGF3 stark hochreguliert werden. PCGF3 schränkt also die SS18-SSX-vermittelte transkriptionelle iv | P a g e Aktivierung einer Untergruppe von Genen ein, die von SS18-SSX und PCGF1 gemeinsam gebunden werden. Während PCGF1, wie zuvor beschrieben, für die Chromatin-Rekrutierung von SS18-SSX verantwortlich ist, zeige ich hier, dass PCGF3 für die Aufrechterhaltung optimaler Konzentrationen von SS18-SSX an Schlüsselstellen verantwortlich ist und so für die Feinabstimmung des Expressionsniveaus seiner Zielgene sorgt. Diese Arbeit identifizierte eine Schlüsselanfälligkeit beim Synovialsarkom und kann Aufschluss über die Rolle von nicht-kanonischen PRC1-Komplexen in anderen Zusammenhängen geben.

Translation of abstract (English)

Synovial sarcoma is an aggressive soft tissue sarcoma driven by the SS18-SSX1/2/4 (SS18-SSX) oncofusion. The SS18 part of the fusion is part of the BRG1/BRM associated factor (BAF) complex, which is responsible for chromatin remodelling and transcriptional activation, and the SSX tail directs the complex to targets of the Polycomb repressive complex 1 (PRC1), which is a transcriptional repressor. This aberrant upregulation of genes due to SS18-SSX leads to and sustains synovial sarcoma. Unfortunately, there are currently no strategies to therapeutically target its oncogenic function. In this project I therefore focused on identifying SS18-SSX’s critical domains and downstream target genes, important for its function. First, I identified SSXRD as the functionally most crucial domain of SS18-SSX. This domain is responsible for binding of SS18-SSX to its target gene loci by recognition to ubiquitinated histone H2A. To identify important downstream targets of SS18-SSX, I performed a CRISPR dropout screen targeting genes whose genomic loci are bound by SS18-SSX or are over-expressed in synovial sarcoma. I identified PCGF3, which is part of PRC1.3, as a strong and selective dependency in synovial sarcoma. Upon further investigation I found that among all canonical and non-canonical PRC1 complexes only PRC1.1 (PCGF1) and PRC1.3 (PCGF3) are dependencies in synovial sarcoma. I performed transcriptional analysis and oncofusion chromatin occupancy profiling to determine that, although PCGF1 and PCGF3 are both part of PRC1 complexes, they have distinct modes of action in synovial sarcoma. PCGF3 functions as a transcriptional repressor in synovial sarcoma. Upon further analysis of the effect of PCGF3 knockout on SS18-SSX binding, I found that in the absence of PCGF3, SS18-SSX is re-distributed with increased binding at certain sites. These sites correspond to loci of genes which become strongly upregulated upon PCGF3 knockout. Hence, PCGF3 restricts SS18-SSX-mediated transcriptional activation of a subset of genes co-bound by SS18-SSX and PCGF1. Therefore, while PCGF1 is responsible for SS18-SSX chromatin recruitment as previously described, I here show that PCGF3 is responsible for maintaining optimal levels of SS18-SSX at key sites thereby fine-tuning expression levels of its target genes. This work identified a key vulnerability in synovial sarcoma and may shed light into to the role of non-canonical PRC1 complexes in other contexts.