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Stage-specific histone modification profiles are shaped by mitotic activity during Xenopus development
Stage-specific histone modification profiles are shaped by mitotic activity during Xenopus development
Vertebrate embryogenesis is a complex process, in which multiple regulatory layers have to cooperate in time and space. Epigenetic information, specifically the unfolding pattern of covalent posttranslational histone modifications, represents a major mechanism for gene regulation, whose impact on development is underinvestigated. The general antagonism of cell proliferation and differentiation illustrates the importance of another regulatory layer, i.e. the proper control of the cell cycle. In this work I have investigated a possible interplay between these two regulatory layers during Xenopus embryogenesis. To address this hypothesis, I have applied a systemic cell cycle block to Xenopus gastrula embryos and followed their development until the tadpole stage. Developmental consequences of the cell cycle arrest were analysed morphologically and molecularly. To obtain information on consequential changes in the embryonic epigenome, a mass spectrometry pipeline was successfully established and used to quantify histone post-translational modifications extracted from bulk chromatin at four key developmental stages. The results of this work indicate that a systemic G1/S-phase arrest from the gastrula stage on is principally compatible with embryonic survival and morphological differentiation, although some organs and tissues cannot be formed under the cell cycle block. The arrested embryos develop a perturbed chromatin landscape, whose features are illustrated in abnormal stage-specific histone modification profiles. Transcriptionally repressive histone modifications are overrepresented in the chromatin of arrested embryos, compared to controls. Embryos released from the cell cycle block during neurulation revert towards normal-like on morphological, molecular and epigenetic levels. Altogether the results indicate that the cell cycle plays a role in establishment and maintenance of stage-specific histone modification profiles during Xenopus development., Die Embryonalentwicklung von Wirbeltieren ist ein komplexer Prozess, bei dem mehrere Regulationsebenen zeitlich und räumlich zusammenarbeiten müssen. Epigenetische Merkmale wie die kovalenten Modifikationen von Histonproteinen auf dem chromosomalen Chromatin liefern dabei einen wichtigen Beitrag zur Genregulation, deren Dynamik und Bedeutung für das Entwicklungsgeschehen wir gegenwärtig nur ansatzweise verstehen. Der allgemeine Antagonismus von Zellproliferation und Zelldifferenzierung veranschaulicht die Bedeutung einer zweiten regulatorischen Ebene - der entwicklungsspezifischen Kontrolle des Zellzyklusgeschehens. In dieser Arbeit habe ich ein mögliches Zusammenspiel dieser beiden Regulationsebenen während der Embryonalentwicklung von X. laevis untersucht. Dazu wurden Embryonen im Gastrulastadium einem systemischen Zellzyklusblock unterworfen und ihre Entwicklung bis zum Kaulquappenstadium verfolgt. Die Auswirkungen des Zellzyklus-Arrests wurden sowohl morphologisch als auch hinsichtlich regionaler Genexpressions-muster analysiert. Um Informationen über die mit der Behandlung einhergehenden Veränderungen im embryonalen Chromatin zu erhalten, wurde eine Massenspektrometrie-Pipeline erfolgreich etabliert und zur Quantifizierung der Histonmodifikationen verwendet, die zu vier wichtigen Entwicklungsstadien aus embryonalem Chromatin extrahiert wurden. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass ein systemischer Zellzyklusblock am G1/S-Phasenübergang ab dem Stadium der Gastrula grundsätzlich mit dem Überleben des Embryos und der morphologischen Differenzierung vereinbar ist, obwohl unter diesen Bedingungen einige Organe und Gewebe nicht gebildet werden können. Die nichtproliferierenden Embryonen weisen zudem eine epigenetische Fehlentwicklung auf, deren Merkmale sich in selektiven Veränderungen der stadienspezifischen Histonmodifikationsprofile widerspiegeln. Insbesondere sind transkriptionell repressiv wirkende Histonmodifikationen im Zellzyklus-arretierten Chromatin gegenüber Kontrollembryonen überrepräsentiert. Wie Embryonen belegen, die zum Zeitpunkt der Neurulation aus dem Zellzyklusblock wieder entlassen wurden, sind die auf morphologischer, molekularer und epigenetischer Ebene beobachteten Veränderungen prinzipiell revertierbar. Insgesamt zeigen diese Ergebnisse, dass die Etablierung und Aufrechterhaltung der stadienspezifischen Histonmodifikationsprofile vom Zellzyklus beeinflusst wird.
Not available
Pokrovskii, Daniil
2019
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Pokrovskii, Daniil (2019): Stage-specific histone modification profiles are shaped by mitotic activity during Xenopus development. Dissertation, LMU München: Faculty of Medicine
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Abstract

Vertebrate embryogenesis is a complex process, in which multiple regulatory layers have to cooperate in time and space. Epigenetic information, specifically the unfolding pattern of covalent posttranslational histone modifications, represents a major mechanism for gene regulation, whose impact on development is underinvestigated. The general antagonism of cell proliferation and differentiation illustrates the importance of another regulatory layer, i.e. the proper control of the cell cycle. In this work I have investigated a possible interplay between these two regulatory layers during Xenopus embryogenesis. To address this hypothesis, I have applied a systemic cell cycle block to Xenopus gastrula embryos and followed their development until the tadpole stage. Developmental consequences of the cell cycle arrest were analysed morphologically and molecularly. To obtain information on consequential changes in the embryonic epigenome, a mass spectrometry pipeline was successfully established and used to quantify histone post-translational modifications extracted from bulk chromatin at four key developmental stages. The results of this work indicate that a systemic G1/S-phase arrest from the gastrula stage on is principally compatible with embryonic survival and morphological differentiation, although some organs and tissues cannot be formed under the cell cycle block. The arrested embryos develop a perturbed chromatin landscape, whose features are illustrated in abnormal stage-specific histone modification profiles. Transcriptionally repressive histone modifications are overrepresented in the chromatin of arrested embryos, compared to controls. Embryos released from the cell cycle block during neurulation revert towards normal-like on morphological, molecular and epigenetic levels. Altogether the results indicate that the cell cycle plays a role in establishment and maintenance of stage-specific histone modification profiles during Xenopus development.

Abstract

Die Embryonalentwicklung von Wirbeltieren ist ein komplexer Prozess, bei dem mehrere Regulationsebenen zeitlich und räumlich zusammenarbeiten müssen. Epigenetische Merkmale wie die kovalenten Modifikationen von Histonproteinen auf dem chromosomalen Chromatin liefern dabei einen wichtigen Beitrag zur Genregulation, deren Dynamik und Bedeutung für das Entwicklungsgeschehen wir gegenwärtig nur ansatzweise verstehen. Der allgemeine Antagonismus von Zellproliferation und Zelldifferenzierung veranschaulicht die Bedeutung einer zweiten regulatorischen Ebene - der entwicklungsspezifischen Kontrolle des Zellzyklusgeschehens. In dieser Arbeit habe ich ein mögliches Zusammenspiel dieser beiden Regulationsebenen während der Embryonalentwicklung von X. laevis untersucht. Dazu wurden Embryonen im Gastrulastadium einem systemischen Zellzyklusblock unterworfen und ihre Entwicklung bis zum Kaulquappenstadium verfolgt. Die Auswirkungen des Zellzyklus-Arrests wurden sowohl morphologisch als auch hinsichtlich regionaler Genexpressions-muster analysiert. Um Informationen über die mit der Behandlung einhergehenden Veränderungen im embryonalen Chromatin zu erhalten, wurde eine Massenspektrometrie-Pipeline erfolgreich etabliert und zur Quantifizierung der Histonmodifikationen verwendet, die zu vier wichtigen Entwicklungsstadien aus embryonalem Chromatin extrahiert wurden. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass ein systemischer Zellzyklusblock am G1/S-Phasenübergang ab dem Stadium der Gastrula grundsätzlich mit dem Überleben des Embryos und der morphologischen Differenzierung vereinbar ist, obwohl unter diesen Bedingungen einige Organe und Gewebe nicht gebildet werden können. Die nichtproliferierenden Embryonen weisen zudem eine epigenetische Fehlentwicklung auf, deren Merkmale sich in selektiven Veränderungen der stadienspezifischen Histonmodifikationsprofile widerspiegeln. Insbesondere sind transkriptionell repressiv wirkende Histonmodifikationen im Zellzyklus-arretierten Chromatin gegenüber Kontrollembryonen überrepräsentiert. Wie Embryonen belegen, die zum Zeitpunkt der Neurulation aus dem Zellzyklusblock wieder entlassen wurden, sind die auf morphologischer, molekularer und epigenetischer Ebene beobachteten Veränderungen prinzipiell revertierbar. Insgesamt zeigen diese Ergebnisse, dass die Etablierung und Aufrechterhaltung der stadienspezifischen Histonmodifikationsprofile vom Zellzyklus beeinflusst wird.