Transcriptional regulation of endogenous retroviruses by chromatin and RNA processing

Shcherbakova, Irina (2023): Transcriptional regulation of endogenous retroviruses by chromatin and RNA processing. Dissertation, LMU München: Medizinische Fakultät

Abstract

Several reports have shown that post-transcriptional silencing machinery in D. melanogaster, C. elegance, C. cerevisiae targets repetitive elements’ transcripts and actively degrades them. Such pathways include spliceosome recognition of aberrant transcripts and their subsequent degradation by the exosome complex coupled with heterochromatin formation. To date, the importance of post-transcriptional pathways in mammalian ERV regulation is poorly understood. We are the first who documented that ERV transcripts have fast turnover in humans, suggesting that these loci are actively degraded by post-transcriptional silencing pathways. We found that treatment with DNA methylation inhibitor 5-Aza results in prominent H3K9me3 reduction on ERV loci, which could be explained by the interconnection of DNA methylation and H3K9me3 repressing pathways. Therefore, H3K9me3 reduction could additionally contribute to ERV derepression upon 5-Aza treatment. Moreover, we found that 5-Aza and Panobinostat treatments led to transcriptional ERV derepression, rather than increased ERV transcripts stability. In addition, 5-Aza treatment of leukemic cells results in striking upregulation of a few specific ERV loci with coding potential, which could potentially induce viral mimicry and contribute to the immunomodulatory activity of the 5-Aza epigenetic drug. Interestingly, knockdowns of both splicing factors SF3A3 and SRSF3 and exosome exonuclease DIS3 result in transcriptional derepression of ERV loci, suggesting that their function might be coupled with transcriptional repressing machinery. These findings suggest that other transcription repressive histone modifications might be linked to studied splicing factors and exonuclease DIS3, such as, for example, H4K20me3 and H3K27me3. Notably, the vast majority of upregulated ERVs already have basal transcription under normal conditions. This suggests that basal transcription might be beneficial for the cell since it helps to recruit repressive complexes to ERVs, preventing their high expression. Moreover, SF3A3, SRSF3, and DIS3 knockdowns lead to an increased proportion of bidirectionally transcribed ERVs and high expression of full-length ERV loci, which could potentially contribute to dsRNA production and viral mimicry inducing an immune response in cancer cells. Therefore, possible production of ERV-derived dsRNA upon reduction of splicing factors SRSF3 might contribute to previously observed immunomodulatory effect and associated cancer cells death. Finally, we found that the knockdown of splicing factor SF3A3 leads to decreased stability of ERVs. Moreover, it results in particularly strong transcript stabilization of H3K9me3-covered loci, such as ERVs and KRAB-ZNF genes. However, DIS3 knockdown does not affect the stability of these loci. This finding implies that splicing factor SF3A3 might specifically target transcripts originating from H3K9me3 covered loci for subsequent degradation independently from the exosome exonuclease DIS3 degradation pathway.

Abstract

Mehrere Berichte haben gezeigt, dass die posttranskriptionelle Silencing-Maschinerie bei D. melanogaster, C. elegance, C. cerevisiae auf die Transkripte sich wiederholender Elemente abzielt und diese aktiv abbaut. Solche Wege umfassen die Spleißosom-Erkennung von aberranten Transkripten und ihren anschließenden Abbau durch den Exosom-Komplex gekoppelt mit der Heterochromatin-Bildung. Bis heute ist die Bedeutung von posttranskriptionellen Signalwegen bei der ERV-Regulation von Säugetieren nur unzureichend verstanden. Wir sind die Ersten, die dokumentiert haben, dass ERV-Transkripte beim Menschen einen schnellen Umsatz aufweisen, was darauf hindeutet, dass diese Loci aktiv durch posttranskriptionelle Silencing-Pfade abgebaut werden. Wir fanden heraus, dass die Behandlung mit dem DNA-Methylierungsinhibitor 5-Aza zu einer deutlichen Reduktion von H3K9me3 an den ERV-Loci führt, was durch die Verbindung von DNA-Methylierung und H3K9me3-Repressionswegen erklärt werden könnte. Daher könnte eine H3K9me3-Reduktion zusätzlich zur ERV-Derepression nach 5-Aza-Behandlung beitragen. Darüber hinaus fanden wir, dass 5-Aza- und Panobinostat-Behandlungen eher zu einer transkriptionellen ERV-Derepression als zu einer erhöhten Stabilität der ERV-Transkripte führten. Darüber hinaus führt die 5-Aza-Behandlung von Leukämiezellen zu einer bemerkenswerten Hochregulation einiger weniger spezifischer ERV-Loci mit kodierendem Potenzial, die möglicherweise virale Mimikry induzieren und zur immunmodulatorischen Aktivität des epigenetischen 5-Aza-Medikaments beitragen könnte. Interessanterweise führen Knockdowns der beiden Spleißfaktoren SF3A3 und SRSF3 sowie der Exosomen-Exonuklease DIS3 zu einer transkriptionellen Derepression der ERV-Loci, was darauf hindeutet, dass ihre Funktion mit der transkriptionellen Repressionsmaschinerie gekoppelt sein könnte. Diese Ergebnisse legen nahe, dass andere transkriptionsrepressive Histonmodifikationen mit untersuchten Spleißfaktoren und der Exonuklease DIS3 in Verbindung gebracht werden könnten, wie beispielsweise H4K20me3 und H3K27me3. Bemerkenswert ist, dass die überwiegende Mehrheit der hochregulierten ERVs unter normalen Bedingungen bereits eine basale Transkription aufweist. Dies deutet darauf hin, dass die basale Transkription für die Zelle von Vorteil sein könnte, da sie dabei hilft, repressive Komplexe für ERVs zu rekrutieren und ihre hohe Expression zu verhindern. Darüber hinaus führen SF3A3-, SRSF3- und DIS3-Knockdowns zu einem erhöhten Anteil an bidirektional transkribierten ERVs und einer hohen Expression von ERV-Loci in voller Länge, die möglicherweise zur dsRNA-Produktion und viralen Mimikry beitragen könnten, was eine Immunantwort in Krebszellen auslöst. Daher könnte eine mögliche Produktion von ERV-abgeleiteter dsRNA nach Reduktion des Spleißfaktors SRSF3 zu einer zuvor beobachteten immunmodulatorischen Wirkung und dem damit verbundenen Absterben von Krebszellen beitragen. Schließlich fanden wir heraus, dass der Knockdown des Spleißfaktors SF3A3 zu einer verringerten Stabilität von ERVs führt. Darüber hinaus führt es zu einer besonders starken Transkriptstabilisierung von H3K9me3-bedeckten Loci, wie ERVs und KRAB-ZNF-Genen. Der DIS3-Knockdown hat jedoch keinen Einfluss auf die Stabilität dieser Loci. Dieser Befund deutet darauf hin, dass der Spleissfaktor SF3A3 spezifisch auf Transkripte abzielen könnte, die von H3K9me3-bedeckten Loci stammen, sowie für deren nachfolgenden Abbau unabhängig vom Abbauweg der Exosomen-Exonuklease DIS3.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: ERVs, endogenous retroviruses, transcriptional, post-transcriptional, splicing factors, sf3a3, srsf3, dis3, chromatin, RNA processing, degradation, turnover, transcript stability
• 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: 30. März 2023
• 1. Bericht­erstatter:in: Schotta, Gunnar