Heterochromatic regulation of endogenous retroviruses in mouse embryonic stem cells

Groh, Sophia Eleonora (2023): Heterochromatic regulation of endogenous retroviruses in mouse embryonic stem cells. Dissertation, LMU München: Medizinische Fakultät

Abstract

Der Großteil des Säugetiergenoms liegt in Form von Heterochromatin vor, einer Struktur aus Desoxyribonukleinsäure (DNS) und Proteinen, die sich durch begrenzte Zugänglichkeit der Erbinformation, geringe Transkriptionsaktivität und Anreicherung von repetitiven Sequenzen auszeichnet. Die spezifische Regulierung und dichte Verpackung bestimmter DNS-Abschnitte ist entscheidend für die Entwicklung von Säugetieren, während Defekte zu Krebs und Zelltod führen können. Die Unterdrückung von Retrotransposons aus der Gruppe der endogenen Retroviren (ERVs) durch Heterochromatisierung ist von wesentlicher Bedeutung für die Gewährleistung genomischer Stabilität und transkriptioneller Integrität. Die Zielmechanismen sowie die Akteure, die an der Etablierung und Aufrechterhaltung des heterochromatischen Zustands beteiligt sind, sind jedoch nicht vollständig bekannt. Diese Doktorarbeit umfasst zwei Veröffentlichungen, in denen neue Beteiligte der Regulierung des Heterochromatins identifiziert und charakterisiert wurden, wobei die Mechanismen der ERV-Stilllegung in embryonalen Stammzellen der Maus als Modellsystem verwendet wurden. Es wurde ein 160 Basenpaar (bp) langes Sequenzelement von Intracisternal A-Partikel (IAP) Retrotransposons identifiziert, welches die Bildung, Ausbreitung und Erhaltung von Heterochromatin auslöst. Diese kurze Heterochromatin induzierende (SHIN) Sequenz führt zu einer von den Proteinen SETDB1 und TRIM28 abhängigen Ablagerung von H3K9me3 (Trimethylierung von Lysin 9 des Histons 3), einer Histonmodifikation, die ein Kennzeichen des Heterochromatins darstellt. Ein SHIN Sequenz Reportersystem in Kombination mit genomweiten sh- und sgRNA-Screens identifizierte die neuen ERV Regulationsfaktoren ATRX und MORC3. Beide Proteine binden an IAP-Elemente und sind für eine effiziente Heterochromatinbildung und die Aufrechterhaltung von robustem Heterochromatin notwendig. Als ein wesentliches Ergebnis konnte gezeigt werden, dass ein funktionsfähiger MORC3-ATPase-Zyklus und MORC3-SUMOylierung für die ERV-Chromatinregulation von besonderer Bedeutung sind. Proteomanalysen von mutierten MORC3-Proteinen zeigten eine beeinträchtigte Interaktion mit dem Histon-H3.3- Chaperon DAXX. Bedeutenderweise ist H3.3 an MORC3-Bindungsstellen in MORC3 ko und mutierten Zellen deutlich reduziert, was zeigt, dass MORC3 ein kritischer Regulator des DAXX vermittelten Histon H3.3-Einbaus in ERV-Regionen ist. Zusammenfassend beschreibt diese Arbeit zwei neue Akteure der heterochromatischen ERV-Regulierung und gibt einen molekularen Einblick in den H3.3 abhängigen Stilllegungsmechanismus.

Abstract

The majority of the mammalian genome is present as heterochromatin, a structure composed of deoxyribonucleic acid (DNA) and proteins, characterized by limited accessibility of the heredity material, low transcriptional activity, and enrichment of repetitive sequences. The specific regulation and dense packaging of certain DNA segments are crucial for mammalian development whereas defects can lead to cancer and cell death. Repression of retrotransposons of the so-called endogenous retroviruses (ERVs) by heterochromatization is essential to ensure genomic stability and transcriptional integrity. Yet, the targeting mechanisms as well as players involved in both, establishing and maintaining the heterochromatic state, are not completely understood. This thesis comprises two publications that identified and characterized novel players involved in heterochromatin regulation using the mechanisms of ERV silencing in mouse embryonic stem cells as a model system. A 160 base pair (bp) sequence element of Intracisternal A particle (IAP) retrotransposons was identified to trigger the formation, spreading, and maintenance of heterochromatin. This short heterochromatin inducing (SHIN) sequence leads to deposition, of H3K9me3 (trimethylation of lysine 9 on Histone 3), a histone modification that represents a hallmark of heterochromatin, in a SETDB1 and TRIM28 dependent manner. A SHIN sequence-reporter system in combination with genome-wide sh- and sgRNA screens identified the novel players ATRX and MORC3. Both factors bind to IAP elements and are necessary for efficient heterochromatin formation and maintenance of robust heterochromatin. Of particular significance, a functional MORC3 ATPase cycle and MORC3 SUMOylation are important for ERV chromatin regulation. Proteomic analyses of MORC3 mutant proteins revealed compromised interaction with the histone H3.3 chaperone DAXX. Importantly, H3.3 was strongly reduced on MORC3 binding sites in MORC3 ko and mutant cells, indicating that MORC3 is a critical regulator of DAXX-mediated histone H3.3 incorporation on ERV regions. In summary, this work describes two novel players of heterochromatic ERV regulation and provides molecular insight into the H3.3-dependent silencing mechanism.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Heterochromatin, Endogenous Retroviruses, Silencing, MORC3, H3.3
• Themengebiete: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften ; 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 610 Medizin und Gesundheit
• Fakultäten: Medizinische Fakultät
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 8. Februar 2023
• 1. Bericht­erstatter:in: Schotta, Gunnar