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Unraveling deposition mechanism and function of a new histone H3 variant H3.Y
Unraveling deposition mechanism and function of a new histone H3 variant H3.Y
The nucleosome is the basic subunit of chromatin, the packaging of DNA in the nucleus in an eukaryotic cell. Nucleosomes consist of DNA that is wrapped around a histone octamer. This octamer in turn contains 2 copies of each histone: H2A, H2B, H3 and H4. One mechanism how DNA-related processes such as transcription or DNA repair can be regulated involves the exchange of canonical histones with so-called histone variants. The incorporation of the variant counterparts is carried out by histone chaperone complexes. Various chaperones interact with the respective variants and determine their deposition into distinct genomic sites. Thus histone chaperones contribute to the regulation and plasticity of the chromatin landscape by introducing a variety of histones. To date eight different human histone H3 variants are described with H3.3 being the best-studied H3 variant. H3.Y on the other hand is a relatively new variant and so far knowledge about its function in chromatin remained limited. Comparing H3 variant amino acid sequences, H3.Y shows the highest similarity to H3.3, and especially shares the same so-called chaperone recognition site with H3.3. The chaperone recognition site is a four-amino acid stretch that determines the interaction of H3 variants with distinct chaperones complexes. Whereas H3.3 interacts with two distinct chaperone complexes, namely DAXX/ATRX and HIRA, our group surprisingly only identified the HIRA complex as a binding partner of H3.Y. In my PhD thesis, I initially confirmed that H3.Y indeed does not interact with DAXX/ATRX. In order to identify the amino acids in H3.Y that prevent DAXX binding I generated multiple H3.3/H3.Y mutants that exhibit amino acid exchanges of H3.Y with H3.3 residues. I could show that apart from the chaperone recognition site a combination of H3.3 core and C-terminal residues contributes to the specific recognition and/or binding of the histone chaperone DAXX to its substrate. DAXX/ATRX is responsible for the deposition of H3.3 to heterochromatic genomic sites while the HIRA complex mediates H3.3 incorporation into euchromatic regions. Since H3.Y does only interact with the HIRA complex I speculated about its incorporation into open, euchromatic sites. Indeed, I could show by ChIP-seq that H3.Y localizes only to H3K4me3‑positive euchromatic regions and is excluded from DAXX dependent H3K9me3‑positive and simple repeat sites. Correspondingly, H3.Y nucleosomes are enriched with the transcription-associated FACT complex and depleted of the repressive H3K9me3 mark. In conclusion I could demonstrate that a combination of core and C-terminal residues prevents H3.Y’s interaction with the histone chaperone DAXX, explaining its exclusive localization to euchromatic sites and absence from heterochromatic sites., Das Nukleosom ist die grundlegende Einheit von Chromatin, der Verpackung der DNA in einer eukaryotischen Zelle. Nukleosomen bestehen aus DNA, die um ein Histonoktamer gewickelt ist; dieses Oktamer widerum besteht aus 2 Kopien jedes der Histone H2A, H2B, H3 und H4. Ein Mechanismus wie DNA bezogene Prozesse wie Transkription oder DNA Reparatur reguliert werden können, beinhaltet den Austausch der kanonischen Histone mit sogenannten Histonvarianten. Der Einbau dieser Varianten wird von Histon-Chaperon-Komplexen bewerkstelligt. Verschiedene Chaperone interagieren mit den entsprechenden Varianten und bestimmen deren Einbau an unterschiedliche genomische Stellen. Histon-Chaperone tragen somit, indem sie eine Vielzahl an Histonen an bestimmten genomischen Stellen einfügen, zur Regulation und Plastizität der Chromatinlandschaft bei. Bis heute sind acht verschiedene humane Histon H3 Varianten im Menschen beschrieben, von denen H3.3 die am besten untersuchte Variante darstellt. H3.Y widerum ist eine relativ neue Variante und bisher ist das Wissen um ihre Funktion im Chromatin begrenzt. Vergleicht man die Aminosäuresequenzen der H3 Varianten, zeigt H3.Y die größte Ähnlichkeit zu H3.3 und weist insbesondere die selbe sogenannte Chaperonerkennungssequenz, ein vier Aminosäuren langer Abschnitt, der die Interaktion von H3 Varianten mit verschiedenen Chaperonkomplexen bestimmt, wie H3.3 auf. Während H3.3 mit zwei unterschiedlichen Chaperonkomplexen interagiert, und zwar DAXX/ATRX und HIRA, hat unsere Gruppe überraschenderweise nur den HIRA-Komplex als Bindungspartner von H3.Y identifiziert. In meiner Dissertation habe ich zunächst bestätigt, dass H3.Y tatsächlich nicht mit DAXX/ATRX interagiert. Um herauszufinden welche Aminosäuren in H3.Y die Bindung an DAXX verhindern, habe ich diverse H3.3/H3.Y-Mutanten generiert, die Aminosäureaustausche von H3.Y mit H3.3 Resten aufweisen. Ich konnte zeigen, dass abgesehen von der Chaperonerkennungssequenz auch eine Kombination von H3.3-Resten in der Mitte und am C-terminus der Sequenz zur Erkennung und/oder Bindung von DAXX an sein Substrat beitragen. DAXX/ATRX ist verantwortlich für den Einbau von H3.3 an heterochromatische genomische Stellen, während HIRA die Inkorporation in euchromatische Regionen vermittelt. Da H3.Y nur mit dem HIRA-Komplex interagiert, habe ich über dessen Einbau in offene, euchromatische Stellen spekuliert. Tatsächlich konnte ich durch ChIP-seq zeigen, dass H3.Y nur an H3K4me3 positiven euchromatischen Regionen lokalisiert und von DAXX abhängigen H3K9me3 positiven und simple repeat Stellen ausgeschlossen ist. Entsprechend sind H3.Y-Nuklesomen angereichert mit dem transkriptionsassoziierten FACT-Komplex und abgereichert mit der repressiven Modifizierung H3K9me3. Zusammengefasst konnte ich zeigen, dass eine Kombination aus innenliegenden und C-terminalen Resten die Interaktion von H3.Y und dem Histonchaperon DAXX verhindert, was die ausschließliche Lokalisierung in euchromatischen Regionen und den Ausschluss von heterochromatischen Stellen erklärt.
Epigenetics, Chromatin, Histone Variants
Zink, Lisa-Maria
2017
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Zink, Lisa-Maria (2017): Unraveling deposition mechanism and function of a new histone H3 variant H3.Y. Dissertation, LMU München: Faculty of Medicine
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Abstract

The nucleosome is the basic subunit of chromatin, the packaging of DNA in the nucleus in an eukaryotic cell. Nucleosomes consist of DNA that is wrapped around a histone octamer. This octamer in turn contains 2 copies of each histone: H2A, H2B, H3 and H4. One mechanism how DNA-related processes such as transcription or DNA repair can be regulated involves the exchange of canonical histones with so-called histone variants. The incorporation of the variant counterparts is carried out by histone chaperone complexes. Various chaperones interact with the respective variants and determine their deposition into distinct genomic sites. Thus histone chaperones contribute to the regulation and plasticity of the chromatin landscape by introducing a variety of histones. To date eight different human histone H3 variants are described with H3.3 being the best-studied H3 variant. H3.Y on the other hand is a relatively new variant and so far knowledge about its function in chromatin remained limited. Comparing H3 variant amino acid sequences, H3.Y shows the highest similarity to H3.3, and especially shares the same so-called chaperone recognition site with H3.3. The chaperone recognition site is a four-amino acid stretch that determines the interaction of H3 variants with distinct chaperones complexes. Whereas H3.3 interacts with two distinct chaperone complexes, namely DAXX/ATRX and HIRA, our group surprisingly only identified the HIRA complex as a binding partner of H3.Y. In my PhD thesis, I initially confirmed that H3.Y indeed does not interact with DAXX/ATRX. In order to identify the amino acids in H3.Y that prevent DAXX binding I generated multiple H3.3/H3.Y mutants that exhibit amino acid exchanges of H3.Y with H3.3 residues. I could show that apart from the chaperone recognition site a combination of H3.3 core and C-terminal residues contributes to the specific recognition and/or binding of the histone chaperone DAXX to its substrate. DAXX/ATRX is responsible for the deposition of H3.3 to heterochromatic genomic sites while the HIRA complex mediates H3.3 incorporation into euchromatic regions. Since H3.Y does only interact with the HIRA complex I speculated about its incorporation into open, euchromatic sites. Indeed, I could show by ChIP-seq that H3.Y localizes only to H3K4me3‑positive euchromatic regions and is excluded from DAXX dependent H3K9me3‑positive and simple repeat sites. Correspondingly, H3.Y nucleosomes are enriched with the transcription-associated FACT complex and depleted of the repressive H3K9me3 mark. In conclusion I could demonstrate that a combination of core and C-terminal residues prevents H3.Y’s interaction with the histone chaperone DAXX, explaining its exclusive localization to euchromatic sites and absence from heterochromatic sites.

Abstract

Das Nukleosom ist die grundlegende Einheit von Chromatin, der Verpackung der DNA in einer eukaryotischen Zelle. Nukleosomen bestehen aus DNA, die um ein Histonoktamer gewickelt ist; dieses Oktamer widerum besteht aus 2 Kopien jedes der Histone H2A, H2B, H3 und H4. Ein Mechanismus wie DNA bezogene Prozesse wie Transkription oder DNA Reparatur reguliert werden können, beinhaltet den Austausch der kanonischen Histone mit sogenannten Histonvarianten. Der Einbau dieser Varianten wird von Histon-Chaperon-Komplexen bewerkstelligt. Verschiedene Chaperone interagieren mit den entsprechenden Varianten und bestimmen deren Einbau an unterschiedliche genomische Stellen. Histon-Chaperone tragen somit, indem sie eine Vielzahl an Histonen an bestimmten genomischen Stellen einfügen, zur Regulation und Plastizität der Chromatinlandschaft bei. Bis heute sind acht verschiedene humane Histon H3 Varianten im Menschen beschrieben, von denen H3.3 die am besten untersuchte Variante darstellt. H3.Y widerum ist eine relativ neue Variante und bisher ist das Wissen um ihre Funktion im Chromatin begrenzt. Vergleicht man die Aminosäuresequenzen der H3 Varianten, zeigt H3.Y die größte Ähnlichkeit zu H3.3 und weist insbesondere die selbe sogenannte Chaperonerkennungssequenz, ein vier Aminosäuren langer Abschnitt, der die Interaktion von H3 Varianten mit verschiedenen Chaperonkomplexen bestimmt, wie H3.3 auf. Während H3.3 mit zwei unterschiedlichen Chaperonkomplexen interagiert, und zwar DAXX/ATRX und HIRA, hat unsere Gruppe überraschenderweise nur den HIRA-Komplex als Bindungspartner von H3.Y identifiziert. In meiner Dissertation habe ich zunächst bestätigt, dass H3.Y tatsächlich nicht mit DAXX/ATRX interagiert. Um herauszufinden welche Aminosäuren in H3.Y die Bindung an DAXX verhindern, habe ich diverse H3.3/H3.Y-Mutanten generiert, die Aminosäureaustausche von H3.Y mit H3.3 Resten aufweisen. Ich konnte zeigen, dass abgesehen von der Chaperonerkennungssequenz auch eine Kombination von H3.3-Resten in der Mitte und am C-terminus der Sequenz zur Erkennung und/oder Bindung von DAXX an sein Substrat beitragen. DAXX/ATRX ist verantwortlich für den Einbau von H3.3 an heterochromatische genomische Stellen, während HIRA die Inkorporation in euchromatische Regionen vermittelt. Da H3.Y nur mit dem HIRA-Komplex interagiert, habe ich über dessen Einbau in offene, euchromatische Stellen spekuliert. Tatsächlich konnte ich durch ChIP-seq zeigen, dass H3.Y nur an H3K4me3 positiven euchromatischen Regionen lokalisiert und von DAXX abhängigen H3K9me3 positiven und simple repeat Stellen ausgeschlossen ist. Entsprechend sind H3.Y-Nuklesomen angereichert mit dem transkriptionsassoziierten FACT-Komplex und abgereichert mit der repressiven Modifizierung H3K9me3. Zusammengefasst konnte ich zeigen, dass eine Kombination aus innenliegenden und C-terminalen Resten die Interaktion von H3.Y und dem Histonchaperon DAXX verhindert, was die ausschließliche Lokalisierung in euchromatischen Regionen und den Ausschluss von heterochromatischen Stellen erklärt.