Structural and biochemical studies of Polycomb Repressive Complex 1

Karlukova, Elena (2024): Structural and biochemical studies of Polycomb Repressive Complex 1. Dissertation, LMU München: Fakultät für Chemie und Pharmazie

Abstract

Polycomb group (PcG) proteins play crucial roles in epigenetic transcriptional regulation. Among these, Polycomb repressive complex 1 (PRC1) functions as an E3-ligase responsible for catalyzing the H2AK119 monoubiquitination mark, a hallmark of Polycomb repression in mammals. Despite its significance, structural information regarding PRC1 remains limited, with only individual domains being crystallized. Addressing this gap, this thesis focuses on the recombinant reconstitution and structural investigation of several PRC1 subcomplexes: PRC1-PHC2, PRC1-Cbx7 and PRC1-Scml2. Leveraging integrative structural biology techniques, including protein crystallization, cross-linking mass spectrometry (XL-MS), and cryo-electron microscopy (cryo-EM), these complexes were characterised in terms of their protein-protein interaction interfaces and interaction with nucleosomes. As a part of this study, three high-resolution cryo-EM 3D reconstructions of E3 ligase domain bound to the nucleosome of PRC1-PH2 and PRC1-Cbx7 are presented herein. Cryo-EM 3D reconstructions of PRC1-Cbx7 complex with nucleosome revealed heretofore unreported extra-density, which could possibly correspond to RAWUL domain of Bmi1. The XL-MS experiment involving the PRC1-Scml2 complex revealed an additional interaction interface between the Scml2 protein and nucleosome, warranting its further biochemical and structural characterization. Overall, these findings provide foundations for forthcoming studies on PRC1, particularly in exploring conformational heterogeneity and understanding its functional relevance in the mechanisms of Polycomb repression.

Abstract

Die Proteine der Polycomb-Gruppe (PcG) spielen eine entscheidende Rolle bei der epigenetischen Transkriptionsregulation. Der Polycomb repressive complex 1 (PRC1) funktioniert als E3-Ligase, die für die Katalyse der Monoubiquitinierung von H2AK119 verantwortlich ist, einem Merkmal der Polycomb-Repression bei Säugetieren. Trotz seiner Bedeutung sind die strukturellen Informationen über den kanonischen PRC1 Komplex begrenzt, da bisher nur einzelne Domänen kristallisiert wurden. Um diese Wissenslücke zu schließen, ist der Fokus dieser Arbeit die rekombinante Rekonstitution und strukturelle Untersuchung mehrerer kanonischer PRC-Subkomplexe: PRC1-PHC2, PRC1-Cbx7 und PRC1-Scml2. Die Komplexe wurden um Hinblick auf ihre Protein-Protein-Interaktionsschnittstellen und ihre Interaktion mit Nukleosomen durch den Einsatz integrativer strukturbiologischer Techniker, einschließlich Proteinkristallisation, Crosslinking-Massenspektrometrie (XL-MS) und Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM), charakterisiert. Als Teil dieser Studie werden hier drei hochaufgelöste 3D-Kryo-EM Rekonstruktionen der an das Nukleosom gebundenen E3-Ligase-Domäne von PRC1-PH2 und PRC1-Cbx7 vorgestellt. Die 3D-Kryo-EM-Rekonstruktionen des PRC1-Cbx7-Komplexes mit dem Nukleosom zeigten eine bisher unbekannte zusätzliche Dichte, die möglicherweise der RAWUL Domäne von Bmi1 entsprechen könnte. Das XL-MS-Experiment mit dem PRC1-Scml2-Komplex offenbarte eine zusätzliche Interaktionsfläche zwischen dem Scml2-Protein und dem Nukleosom, was seine weitere biochemische und strukturelle Charakterisierung rechtfertigt. Insgesamt bilden diese Ergebnisse die Grundlage für künftige Studien über den kanonischen PRC1 Komplex, insbesondere zur Erforschung der Konformationsheterogenität und zum Verständnis seiner funktionellen Bedeutung für die Mechanismen der Polycomb-Repression.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: PRC1, polycomb, polycomb repression, transcriptional repression
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
• Fakultäten: Fakultät für Chemie und Pharmazie
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 4. Dezember 2024
• 1. Bericht­erstatter:in: Conti, Elena