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Dominant role of DNA methylation over H3K9me3 in ERV silencing during embryonic endoderm development
Dominant role of DNA methylation over H3K9me3 in ERV silencing during embryonic endoderm development
Balanced endogenous retroviruses (ERVs) expression is important for early embryonic development. Dysregulation of ERV expression is often associated with severe damage to cells leading to defective development. ERVs expression is tightly regulated by epigenetic mechanisms such as the histone H3 lysine 9 trimethylation (H3K9me3) and DNA methylation. H3K9me3 is considered primarily responsible for silencing ERVs including Intracisternal A-particle (IAP) elements in mouse embryonic stem cells, whereas DNA methylation is considered more important in differentiated cells. Recently, Setdb1, a major silencing factor for ERVs, was identified as a dominant factor in control of distinct ERV families including the VL30-class but not IAPs in differentiated cells. However, the roles of Setdb1 mediated H3K9me3 in ERV silencing remain unclear in early embryonic lineage decisions. To assess roles of Setdb1 in ERV silencing during early embryonic lineage decisions, Setdb1 was specifically deleted in endoderm cells using a Sox17-driven Cre recombinase (Setdb1END). ERV expression analysis showed that only visceral endoderm (VE) which is a specific subtype of endoderm cells with distinct developmental origin but similar morphology and function but not definitive endoderm (DE) displayed ERV derepression in Setdb1END embryos. To molecularly characterize ERV silencing in these two endoderm subsets, I performed in vitro differentiation of Setdb1END ES cells to either extra-embryonic endoderm (XEN) cells which is the progenitor of visceral endoderm or definitive endoderm cells. Notably, transcriptome analysis of in vitro differentiated cells completely reflected the in vivo situation with many ERV families being up-regulated in mutant XEN cells and very minor ERV derepression in DE cells. These findings correlate with pronounced reduction of H3K9me3 in mutant XEN cells while this modification was less affected in mutant DE cells, suggesting redundant H3K9me3 pathways in DE. Similar to H3K9me3, DNA methylation on ERVs was reduced in XEN cells but maintained in DE cells. However, interestingly, ERV derepression was observed in both XEN and DE cells upon depletion of Dnmt1. Moreover, the loss of DNA methylation leads to a reduction of H3K9me3 at imprinted genes but not on ERVs in both types of endoderm cell. Altogether our data suggest redundant cell-type-specific H3K9me3 pathways in endoderm cells. Moreover, these findings shed light on the H3K9me3 repressive mechanisms through DNA methylation in ERV silencing and indicate a dominant role of DNA methylation in ERV silencing during early embryonic endoderm commitment., Die ausgeglichene Expression endogener Retroviren (ERVs) ist wichtig für die frühe embryonale Entwicklung. Eine Fehlregulation der ERV-Expression ist häufig mit schweren Schäden an den Zellen verbunden, die zu einer fehlerhaften Entwicklung führen. Die Expression von ERVs wird durch epigenetische Mechanismen wie die Histon H3 Lysin 9 Trimethylierung (H3K9me3) und die DNA-Methylierung streng reguliert. H3K9me3 ist in erster Linie für die Stummschaltung von ERVs, einschließlich Intracisternale A-Partikel (IAP) -Elemente, in embryonalen Stammzellen der Maus verantwortlich, wohingegen der DNA-Methylierung in differenzierten Zellen eine wichtigere Rolle zugeordnet wird. Kürzlich wurde Setdb1, ein Hauptfaktor der ERV Stummschaltung, als dominanter Faktor bei der Kontrolle verschiedener ERV-Familien einschließlich der VL30-Klasse, jedoch nicht der IAPs, in differenzierten Zellen identifiziert. Dennoch ist die Rolle von Setdb1-vermitteltem H3K9me3 bei der ERV-Stummschaltung während Entscheidungen der frühen embryonalen Abstammungslinien unklar. Um die Rolle von Setdb1 bei der ERV- Stummschaltung bei Entscheidungen über frühe embryonale Abstammungslinien zu bewerten, haben wir Setdb1 in Endodermzellen unter Verwendung einer Sox17-gesteuerten Cre-Rekombinase (Setdb1END) spezifisch entfernt. Wir haben die ERV-Expression analysiert und stellten fest, dass nur das viszerale Endoderm (ein spezifischer Subtyp von Endodermzellen mit unterschiedlichem Entwicklungsursprung, aber ähnlicher Morphologie und Funktion), aber nicht das definitive Endoderm (DE) in Setdb1END-Embryonen eine ERV-Derepression aufwies. Um die ERV-Stummschaltung in diesen beiden Endoderm-Untergruppen molekular zu charakterisieren, führten wir eine In-vitro-Differenzierung von Setdb1END-ES-Zellen entweder zu einem extraembryonales Endoderm (XEN), den Vorläufer des viszeralen Endoderms (VE) Zellen sind, oder eines definitiven Endoderms Zellen durch. Insbesondere die Transkriptomanalyse von in vitro differenzierten Zellen spiegelte die in vivo-Situation vollständig wider, wobei viele ERV-Familien in mutierten XEN-Zellen hochreguliert waren und in DE-Zellen eine sehr geringe ERV-Derepression auftrat. Diese Ergebnisse korrelieren mit einer ausgeprägten Reduktion von H3K9me3 in mutierten XEN-Zellen, während diese Modifikation in mutierten DE-Zellen weniger betroffen war, was auf redundante H3K9me3-Wege in DE hindeutet. Ähnlich wie bei H3K9me3 wurde die DNA-Methylierung auf ERVs in XEN-Zellen reduziert, in DE-Zellen jedoch beibehalten. Interessanterweise wurde jedoch eine ERV-Derepression sowohl in XEN- als auch in DE-Zellen nach Verringerung von Dnmt1 beobachtet. Darüber hinaus führt der Verlust der DNA-Methylierung zu einer Reduktion von H3K9me3 an geprägten Genen, jedoch nicht an ERVs in beiden Arten von Endodermzellen. Insgesamt deuten unsere Daten auf redundante zelltypspezifische H3K9me3-Pfade hin. Darüber hinaus geben diese Ergebnisse Aufschluss über die H3K9me3-Repressionsmechanismen durch DNA-Methylierung bei der ERV-Stummschaltung und weisen auf eine dominante Rolle der DNA-Methylierung bei der ERV-Stummschaltung während der frühen Festlegung des embryonalen Endoderms hin.
Setdb1, Dnmt1, H3K9me3, DNA methylation, endogenous retrovirus, ERV
Wang, Zeyang
2020
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Wang, Zeyang (2020): Dominant role of DNA methylation over H3K9me3 in ERV silencing during embryonic endoderm development. Dissertation, LMU München: Faculty of Medicine
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Abstract

Balanced endogenous retroviruses (ERVs) expression is important for early embryonic development. Dysregulation of ERV expression is often associated with severe damage to cells leading to defective development. ERVs expression is tightly regulated by epigenetic mechanisms such as the histone H3 lysine 9 trimethylation (H3K9me3) and DNA methylation. H3K9me3 is considered primarily responsible for silencing ERVs including Intracisternal A-particle (IAP) elements in mouse embryonic stem cells, whereas DNA methylation is considered more important in differentiated cells. Recently, Setdb1, a major silencing factor for ERVs, was identified as a dominant factor in control of distinct ERV families including the VL30-class but not IAPs in differentiated cells. However, the roles of Setdb1 mediated H3K9me3 in ERV silencing remain unclear in early embryonic lineage decisions. To assess roles of Setdb1 in ERV silencing during early embryonic lineage decisions, Setdb1 was specifically deleted in endoderm cells using a Sox17-driven Cre recombinase (Setdb1END). ERV expression analysis showed that only visceral endoderm (VE) which is a specific subtype of endoderm cells with distinct developmental origin but similar morphology and function but not definitive endoderm (DE) displayed ERV derepression in Setdb1END embryos. To molecularly characterize ERV silencing in these two endoderm subsets, I performed in vitro differentiation of Setdb1END ES cells to either extra-embryonic endoderm (XEN) cells which is the progenitor of visceral endoderm or definitive endoderm cells. Notably, transcriptome analysis of in vitro differentiated cells completely reflected the in vivo situation with many ERV families being up-regulated in mutant XEN cells and very minor ERV derepression in DE cells. These findings correlate with pronounced reduction of H3K9me3 in mutant XEN cells while this modification was less affected in mutant DE cells, suggesting redundant H3K9me3 pathways in DE. Similar to H3K9me3, DNA methylation on ERVs was reduced in XEN cells but maintained in DE cells. However, interestingly, ERV derepression was observed in both XEN and DE cells upon depletion of Dnmt1. Moreover, the loss of DNA methylation leads to a reduction of H3K9me3 at imprinted genes but not on ERVs in both types of endoderm cell. Altogether our data suggest redundant cell-type-specific H3K9me3 pathways in endoderm cells. Moreover, these findings shed light on the H3K9me3 repressive mechanisms through DNA methylation in ERV silencing and indicate a dominant role of DNA methylation in ERV silencing during early embryonic endoderm commitment.

Abstract

Die ausgeglichene Expression endogener Retroviren (ERVs) ist wichtig für die frühe embryonale Entwicklung. Eine Fehlregulation der ERV-Expression ist häufig mit schweren Schäden an den Zellen verbunden, die zu einer fehlerhaften Entwicklung führen. Die Expression von ERVs wird durch epigenetische Mechanismen wie die Histon H3 Lysin 9 Trimethylierung (H3K9me3) und die DNA-Methylierung streng reguliert. H3K9me3 ist in erster Linie für die Stummschaltung von ERVs, einschließlich Intracisternale A-Partikel (IAP) -Elemente, in embryonalen Stammzellen der Maus verantwortlich, wohingegen der DNA-Methylierung in differenzierten Zellen eine wichtigere Rolle zugeordnet wird. Kürzlich wurde Setdb1, ein Hauptfaktor der ERV Stummschaltung, als dominanter Faktor bei der Kontrolle verschiedener ERV-Familien einschließlich der VL30-Klasse, jedoch nicht der IAPs, in differenzierten Zellen identifiziert. Dennoch ist die Rolle von Setdb1-vermitteltem H3K9me3 bei der ERV-Stummschaltung während Entscheidungen der frühen embryonalen Abstammungslinien unklar. Um die Rolle von Setdb1 bei der ERV- Stummschaltung bei Entscheidungen über frühe embryonale Abstammungslinien zu bewerten, haben wir Setdb1 in Endodermzellen unter Verwendung einer Sox17-gesteuerten Cre-Rekombinase (Setdb1END) spezifisch entfernt. Wir haben die ERV-Expression analysiert und stellten fest, dass nur das viszerale Endoderm (ein spezifischer Subtyp von Endodermzellen mit unterschiedlichem Entwicklungsursprung, aber ähnlicher Morphologie und Funktion), aber nicht das definitive Endoderm (DE) in Setdb1END-Embryonen eine ERV-Derepression aufwies. Um die ERV-Stummschaltung in diesen beiden Endoderm-Untergruppen molekular zu charakterisieren, führten wir eine In-vitro-Differenzierung von Setdb1END-ES-Zellen entweder zu einem extraembryonales Endoderm (XEN), den Vorläufer des viszeralen Endoderms (VE) Zellen sind, oder eines definitiven Endoderms Zellen durch. Insbesondere die Transkriptomanalyse von in vitro differenzierten Zellen spiegelte die in vivo-Situation vollständig wider, wobei viele ERV-Familien in mutierten XEN-Zellen hochreguliert waren und in DE-Zellen eine sehr geringe ERV-Derepression auftrat. Diese Ergebnisse korrelieren mit einer ausgeprägten Reduktion von H3K9me3 in mutierten XEN-Zellen, während diese Modifikation in mutierten DE-Zellen weniger betroffen war, was auf redundante H3K9me3-Wege in DE hindeutet. Ähnlich wie bei H3K9me3 wurde die DNA-Methylierung auf ERVs in XEN-Zellen reduziert, in DE-Zellen jedoch beibehalten. Interessanterweise wurde jedoch eine ERV-Derepression sowohl in XEN- als auch in DE-Zellen nach Verringerung von Dnmt1 beobachtet. Darüber hinaus führt der Verlust der DNA-Methylierung zu einer Reduktion von H3K9me3 an geprägten Genen, jedoch nicht an ERVs in beiden Arten von Endodermzellen. Insgesamt deuten unsere Daten auf redundante zelltypspezifische H3K9me3-Pfade hin. Darüber hinaus geben diese Ergebnisse Aufschluss über die H3K9me3-Repressionsmechanismen durch DNA-Methylierung bei der ERV-Stummschaltung und weisen auf eine dominante Rolle der DNA-Methylierung bei der ERV-Stummschaltung während der frühen Festlegung des embryonalen Endoderms hin.