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Perera, Arshan (2015): Epigenetic gene regulation by TET3 and 5-hydroxymethylcytosine during retinal maturation, Epigenetische Genregulation durch TET3 und 5-Hydroxymethylcytosin während der retinalen Entwicklung. Dissertation, LMU München: Fakultät für Chemie und Pharmazie
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Abstract

The 2-oxoglutarate and Fe (II)-dependent ten-eleven translocation (TET) enzymes can oxidize 5-methylcytosine (5mC) to 5-hydroxymethylcytosine (5hmC), 5-formylcytosine (5fC) and 5-carboxycytosine (5caC). Thus, it was hypothesized that this could be a pathway for active DNA demethylation. However, several studies have shown that 5hmC levels accumulate especially in neurons suggesting a role as an epigenetic mark. Nevertheless, the mechanism controlling TET activity and the role of 5hmC are poorly understood. In particular, it is not known how the neuronal TET3 isoform lacking a DNA binding domain is targeted to the DNA. In this study, the role of 5hmC during retinal maturation by genome-wide mapping of 5hmC in immature (postnatal week 2) and mature mouse retina (postnatal week 3) was studied and correlated with expression data. Furthermore, interaction partners of neu-ronal TET3, the main isoform in retinal neurons, were identified. 5hmC accumulates during retinal maturation especially in retinal and neuronal genes. Furthermore, the accumulation of 5hmC is associated with increased transcription. Among the identified proteins the transcriptional repressor REST was identified as a highly enriched TET3-specific interactor. Interestingly, REST was able to enhance TET3 hydroxylase activity. Furthermore, increased 5hmC levels were detected in REST target genes during retinal maturation and overexpression of TET3 activated transcription of REST-target genes. Moreover, NSD3 and two other histone methyltransferases were found to interact with TET3 that are able to mediate H3K36 trimethylation. Finally, it was shown that TET3 is able to enhance NSD3-mediated H3K36 trimethylation to pro-mote transcriptional activation. In conclusion, the data suggests that 5hmC is a stable epigenetic base in retinal neurons that is involved in transcriptional activation. Furthermore, it was shown that 5hmC is generated by TET3 that is recruited to the DNA by transcriptional regulators such as REST in a context-specific manner.

Abstract

Die Fe2+- und Ketoglutarat abhängigen ten-eleven translocation (TET) Enzyme können 5-Methylcytosin (5mC) zu 5-Hydroxymethylcytosin (5hmC), 5-Formylcytosin (5fC) und 5-Carboxycytosin (5caC) zu oxidieren. Es wurde vermutet, dass es sich bei diesem Oxidationsprozess, um einen möglichen Mechanismus zur aktiven DNA Demethylierung handeln könnte. Jedoch weisen einige Studien darauf hin, dass 5hmC in Neuronen ak-kumuliert und selbst als epigenetischer Faktor fungiert. Die Regulierung der TET Enzy-me, sowie die exakte Rolle von 5hmC ist aber bisher unklar. Insbesondere die Rekrutie-rung der neuronal TET3 Isoform, die keine DNA Bindedomäne enthält, an die DNA zur Generierung von 5hmC ist nicht bekannt. In dieser Arbeit wird die Rolle von 5hmC während der retinalen Entwicklung unter-sucht durch genomweite Analyse von 5hmC in noch unausgereiften (postnatale Woche 2), sowie ausdifferenzierten Mäuseretina (postnatale Woche 3) und anschließend wur-den diese Daten mit Expressionsdaten korreliert. Desweiteren wurden Interaktions-partner des neuronalen TET3, der Hauptisoform in retinalen Neuronen, untersucht. Wir konnten feststellen, dass 5hmC während der retinalen Entwicklung insbesondere in retinalen und neuronalen Genen akkumuliert. Diese Akkumulation korrelierte positiv mit erhöhter Transkription der entsprechenden Gene. Desweiteren fanden wir heraus, dass neuronales TET3 unter anderem mit dem Transkriptionsregulator REST interagiert. Inte-ressanterweise war REST im Stande die Hydroxylaseaktivität von TET3 zu erhöhen. Zudem fanden wir erhöhte 5hmC Levels in REST Zielgenen und Überexpression von TET3 führte zur erhöhten Transkription von REST Zielgenen. Wir fanden auch NSD3 und zwei weitere Histonmethyltransferases, als Interaktoren von TET3 und konnten zeigen dass TET3 die H3K36 Trimethylierung von NSD3 erhöht. Zusammenfassend, weisen unsere Daten darauf hin, dass 5hmC eine stabile epigeneti-sche Base in retinalen Neuronen ist und eine wichtige Rolle spielt in transkriptioneller Aktivierung. Desweiteren zeigen wir, dass 5hmC von TET3 etabliert wird, das durch Transkriptionsregulatoren, wie REST an die DNA rekrutiert wird zur kontext-spezifischen Hydroxymethylierung. Abschließend zeigen wir, dass TET3 die NSD3 ge-steuerte H3K36 Trimethylierung stimuliert um aktive Transkription zu steigern.