Making a multiciliated cell: the role of SUV4-20H1 in Xenopus multiciliogenesis

Tait, Janet C. (2025): Making a multiciliated cell: the role of SUV4-20H1 in Xenopus multiciliogenesis. Dissertation, LMU München: Medizinische Fakultät

Abstract

In the developing embryo, regulating gene expression is crucial to generate a vast array of cell types from a common genetic blueprint. One of the mechanisms by which this regulation is achieved is through methylation of lysine residues on histone tails. These marks are controlled by histone methyltransferases, demethylases, and reader proteins. Here, we explore a surprising link between a histone H4 lysine 20 (H4K20) methyltransferase, suv4-20h1/kmt5b, and multiciliated cells (MCCs). MCCs are a highly specialized cell type found in the brain and respiratory tract of mammals and on the Xenopus embryonic epidermis. These cells are characterized by hundreds of motile cilia that beat to generate fluid flow, and impairment of MCC differentiation or function is implicated in a number of pathologies. Our lab previously discovered that double knockdown of suv4-20h1 and suv4-20h2/kmt5c, the enzymes that write H4K20me2/3, leads to a ciliogenic phenotype, which disrupts cilia formation in MCCs as a consequence of a concerted downregulation of ciliogenic genes. In this thesis, we further investigate the relationship between H4K20 methylating enzymes and MCCs using Xenopus as a model system. Strikingly, we demonstrate that the transcription of ciliogenic genes is regulated by the catalytic activity of suv4-20h1 but not suv4-20h2. Chromatin in cells depleted of suv4-20h1 activity is enriched for H4K20me1, a modification with unclear impact on gene transcription. The cilia defects can be partially rescued by the catalytic activity of PHF8, an H4K20me1 demethylase. In contrast, overexpression of multicilin, the master regulator of multiciliogenesis, cannot rescue ciliogenic structure or gene expression, and expression of downstream ciliogenic regulators is not affected by suv4-20h1 knockdown. This indicates that suv4-20h1 regulates MCC differentiation through an alternative pathway to the canonical multiciliogenic transcription program. While our data suggest that the conversion from H4K20me1 to H4K20me2 by suv4-20h1 is needed for normal levels of ciliogenic gene expression, ATAC-Seq analysis indicates that suv4-20h1 has a minor effect on chromatin accessibility. These findings shed further light on the intriguing connection between a specialized cellular structure and the epigenetic landscape.

Abstract

Im sich entwickelnden Embryo ist die Regulierung der Genexpression von entscheidender Bedeutung für die Entstehung einer Vielzahl von Zelltypen auf der Grundlage eines gemeinsamen genetischen Bauplans. Einer der Mechanismen, mit dem diese Regulierung erreicht wird, ist die Methylierung von Lysinresten an Histonschwänzen. Diese Markierungen werden durch Histon-Methyltransferasen, Demethylasen und sog. „Reader“-Proteinen kontrolliert. Hier untersuchen wir eine überraschende Verbindung zwischen suv4-20h1/KMT5B, einer Histon-H4-Lysin-20 (H4K20)-Methyltransferase, und multizilierten Zellen. Multizilierte Zellen sind ein hochspezialisierter Zelltyp, der im Gehirn und in den Atemwegen von Säugetieren sowie in der Epidermis von Xenopus-Embryonen vorkommt. Diese Zellen zeichnen sich durch Hunderte von beweglichen Zilien aus, deren Schlag einen gerichteten Flüssigkeitsstrom zu erzeugt. Eine Beeinträchtigung dieses Zilienapparats wird mit einer Reihe von Krankheiten in Verbindung gebracht. Unser Labor hat zuvor entdeckt, dass die gleichzeitige Depletion der Enzyme suv4-20h1 und suv4-20h2/kmt5c, die H4K20me2/3 Markierungen im Chromatin katalysieren, zu einem ciliogenen Phänotyp führt, der die Zilienbildung in multizilierten Zellen als Folge einer konzertierten Herunterregulierung von ciliogenen Genen unterbricht. In dieser Arbeit untersuchen wir die Beziehung zwischen H4K20 methylierenden Enzymen und multizilierten Zellen im Modellorganismus Xenopus. Wir konnten zeigen, dass die Transkription von ciliogenen Genen ausschließlich durch die katalytische Aktivität von suv4-20h1, nicht aber von SUV4-20H2, reguliert wird. In Zellen, denen die suv4-20h1-Aktivität fehlt, ist das Chromatin mit H4K20me1 angereichert, eine Modifikation, deren Auswirkungen auf die Gentranskription unklar sind. Die Ziliendefekte können teilweise durch die katalytische Aktivität von PHF8, einer H4K20me1-Demethylase, behoben werden. Im Gegensatz dazu kann die Überexpression von Multicilin, dem Hauptregulator der Multiciliogenese, weder die ciliogene Struktur noch die Genexpression in retten, und die Expression nachgeschalteter ciliogener Regulatoren wird durch die Ausschaltung von suv4-20h1 nicht beeinflusst. Dies deutet darauf hin, dass suv4-20h1 die multizilierten Zellen-Differenzierung über einen alternativen Weg zum kanonischen multizilierten Zellen-Transkriptionsprogramm reguliert. Während unsere Daten darauf hindeuten, dass die Umwandlung von H4K20me1 in H4K20me2 durch suv4-20h1 für ein normales Niveau der ciliogenen Genexpression erforderlich ist, zeigt die ATAC-Seq- Analyse, dass suv4-20h1 lediglich eine geringe Auswirkung auf die Chromatinzugänglichkeit hat. Die Ergebnisse sind wegbereitend für zukünftige Experimente, um die Verknüpfung zwischen einem hochspezialisierten Zellorganell und einem Histon modifizierenden Enzym mechanistisch aufzuklären.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: cilia, Xenopus, development, histone methylation
• 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: 24. Februar 2025
• 1. Bericht­erstatter:in: Rupp, Ralph