Zur Kurzanzeige

Functional characterization of CDY family proteins and their role in recognition of the heterochromatic histone H3K9me3 modification

dc.contributor.advisorFischle, Wolfgang Prof. Dr.de
dc.contributor.authorFranz, Henriettede
dc.date.accessioned2012-04-16T14:52:53Zde
dc.date.available2013-01-30T23:50:35Zde
dc.date.issued2010-01-14de
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0006-AD88-9de
dc.description.abstractDie DNA einer eukaryotischen Zelle ist im Nukleus um Oktamere von Histonproteinen gewickelt, welche zwei H2A-H2B Dimere und ein (H3-H4)2 enthalten. Diese Einheit wird Nukleosom genannt und repräsentiert das basale, repetitive Element von Chromatin. Die N- und C-terminalen Enden der vier Histone ragen aus dem Nukleosom heraus und sind deswegen für posttranslationale Modifikationen (PTMs) frei verfügbar. Verschiedene PTMs einschließlich Methylierungen, Acetylierungen und Phosphorylierungen regulieren DNA-basierte Prozesse wie Transkription, Replikation und DNA Reparatur. Eine dieser Modifikationen ist die Trimethylierung von dem Lysin 9 in der Sequenz des Histons H3 (H3K9me3). H3K9me3 stellt ein Markenzeichen des Heterochromatins dar, welches dicht gepackt und weitgehend transkriptionell inaktiv ist und während der S-Phase spät repliziert wird. Die vorliegende Doktorarbeit charakterisiert eine Gruppe von Proteinen, die CDY (Chromodomäne auf dem Y Chromosom) Familie, als neue H3K9me3 Bindungsproteine. Das humane Genom beinhaltet drei CDY-verwandte Gene: zwei autosomale Gene, welche für die Proteine CDYL1 und CDYL2 kodieren und ein multiples Y-chromosomales Gen, welches die genetische Information für das CDY Protein bereitstellt. Die CDY-Proteine enthalten eine N-terminale Chromodomäne (CD) und eine C-terminale Region, welche einer Enoyl-CoA-hydratase (ECH) ähnelt. Interessanterweise hat das CDYL1 Gen drei verschiedene Spleißvarianten: CDYL1a, CDYL1b und CDYL1c. Dabei enthält CDYL1c im Gegensatz zu CDYL1a und b keine CD. Unter Verwendung von in vitro und in vivo Methoden wurde die Spezifität der Methyllysinbindung der CDY-Protein-internen CDs bestimmt. CDY und CDYL1b weisen danach spezifische Affinität für H3K9me3 auf, wobei CDYL2 mit vergleichbarer Affinität an verschiedene in ARK(S/T) Motive eingebettete trimethylierte Lysine von Histonproteinen bindet. Im Gegensatz dazu verhindern einige wenige Aminosäureveränderungen in der CD von CDYL1a, dass dieses Protein weder in vitro noch in vivo an H3K9me3 bindet. Dieses Bindungsdefizit konnte durch Mutationen von spezifischen Aminosäuren behoben werden. Die Ergebnisse aus diesen Studien ermöglichen den Schluss, dass CDs für die H3K9me3-Bindung zwar unerlässlich sind, allerdings nicht völlig ausreichen. In weiteren Experimenten wurde gezeigt, dass die Multimerisierung der ECH Domäne des Proteins ebenso wichtig für die Bindung an die heterochromatische Modifikation H3K9me3 ist. Damit übereinstimmend kann CDYL1c, welches wie beschrieben keine CD besitzt und nur eine ECH Domäne beinhaltet, CDYL1b vom Heterochromatin verdrängen. Basierend auf diesen Resultaten können wir spekulieren, dass CDYL1b durch die Vernetzung von H3K9me3 enthaltenden Regionen an der Ausbildung der kompakten Struktur von Heterochromatin beteiligt ist. CDYL1 kann Transkription mit seiner C-terminalen ECH Domäne repremieren. Es ist wahrscheinlich, dass diese Repression durch die Interaktion mit Histonedeacetylasen (HDAC1, HDAC2) oder dem Repressorkomplex CoREST erreicht wird. Interessanterweise konnte in der vorliegenden Doktorarbeit ein weiterer Interaktionspartner von CDYL1 identifiziert werden: PRMT5. PRMT5 ist eine Argininmethyltransferase und in vitro Experimente bestätigen, dass PRMT5 CDYL1 innerhalb des ARKQ Motivs methylieren kann. Das ARKQ Motiv wird auch von der Lysinmethyltransferase G9a modifiziert und benachbarte Serine tragen eine Mitose-abhängige Phosphorylierung. Diese Beobachtungen führen zu der These, dass diese verschiedenartig modifizierte Region in die Regulation von CDYL1-basierten Interaktionen involviert ist. Am Ende deuten Xenopus laevis Experimente (Überexpressionen und Herunterregulationen von CDYL1) darauf hin, dass CDYL1 eine bedeutende Rolle in der Entwicklung von Xenopus laevis spielt. Alles in allem, präsentiert diese Arbeit in vitro und in vivo Resultate, die beweisen, dass CDY Proteine basale heterochromatische Faktoren darstellen, welche H3K9me3 translatieren. Die Ergebnisse deuten dabei darauf hin, dass CDY Proteine an wichtigen epigenetischen Vorgängen in der Zelle beteiligt sind.de
dc.format.mimetypeapplication/pdfde
dc.language.isoengde
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nd/2.0/de/de
dc.titleFunctional characterization of CDY family proteins and their role in recognition of the heterochromatic histone H3K9me3 modificationde
dc.typedoctoralThesisde
dc.title.translatedFunktionelle Charakterisierung von Proteinen der CDY Familie und deren Rolle in der Erkennung der heterochromatischen Modifikation H3K9me3de
dc.contributor.refereeFischle, Wolfgang Prof. Dr.de
dc.date.examination2010-01-05de
dc.subject.dnb570 Biowissenschaften, Biologiede
dc.description.abstractengIn the nucleus of eukaryotic cells the DNA is wrapped around octamers of histone proteins containing two H2A-H2B dimers and one (H3-H4)2 tetramer. This entity represents the basic repeating unit of chromatin called the nucleosome. N- and C-terminal regions of all four histones are protruding out of the nucleosome and are therefore available for many different posttranslational modifications (PTMs). A huge diversity of histone PTMs like methylation, acetylation and phosphorylation regulate DNA-templated processes like transcription, replication and DNA repair. One of these modifications trimethylation of histone H3 lysine 9 (H3K9me3) is a hallmark of heterochromatin, which is densely packed, mostly transcriptionally silent and late replicating during S-phase. We characterized a new group of proteins, the CDY family (chromodomain on the Y) as H3K9me3 binding proteins. The human genome encodes three CDY family genes, two autosomal genes CDYL1, CDYL2 and the Y-chromosomal CDY gene. CDY family proteins contain a N-terminal chromodomain, a known methyllysine recognition module, and a C-terminal enoyl-CoA-hydratase (ECH) domain. Interestingly, the CDYL1 gene has three different splicing variants CDYL1a, CDYL1b and CDYL1c. Due to splicing CDYL1c contains no chromodomain at all. Using in vivo and in vitro approaches we delineated the specificity of the CDY family chromodomains for methyllysine recognition. We show that CDY as well as CDYL1b exhibit specific binding to H3K9me3, whereas CDYL2 binds with comparable strength to different methyllysines embedded in ARK(S/T) motifs. Subtle amino acid changes in the CDYL1a chromodomain prohibit H3K9me3 interaction in vitro and in vivo. This deficient binding could be rescued by mutation of specific amino acids residues. The results elucidate essential elements of chromodomains and indicate that intact chromodomains are necessary for association with H3K9me3. However, additional experiments showed that chromodomains are not sufficient for heterochromatin association of CDY proteins in vivo. We demonstrated that multimerization of CDYL1b via the ECH-like domain is essential for efficient heterochromatin localization. In agreement, CDYL1c overexpression could displace CDYL1b from heterochromatin. Based on these results we speculate that homomeric CDYL1b complexes are implicated in directing higher order chromatin structures by crossbridging different regions of H3K9me3 chromatin. CDYL1 is able to repress transcription via a C-terminal domain most likely due to interaction with HDAC1, HDAC2 and the repressor complex CoREST. We could show that PRMT5 is a new CDYL1-modifier, which methylates an arginine embedded in an ARKQ motif in vitro. The ARKQ motif is also a target of G9a that methylates the neighboring lysine residue. Surrounding serine residues are phosphorylated in a mitosis-dependent manner. It is possible that this highly modified region is implicated in regulation of CDYL1-mediated interactions. Lastly, Xenopus laevis knockdown and overexpression experiments suggest that CDYL1b is highly important for developmental processes. Altogether this work represents in vivo and in vitro results indicating that members of the CDY family are basic heterochromatin proteins involved in translation of the H3K9me3 modification. Our studies point toward an important function of CDY family proteins in diverse epigenetic pathways.de
dc.contributor.coRefereeJäckle, Herbert Prof. Dr.de
dc.contributor.thirdRefereeHoyer-Fender, Sigrid Prof. Dr.de
dc.subject.topicMathematics and Computer Sciencede
dc.subject.gerChromatinde
dc.subject.gerHeterochromatinde
dc.subject.gerMethylationde
dc.subject.gerH3K9me3de
dc.subject.gerCDYde
dc.subject.gerCDYL1de
dc.subject.gerCDYL2de
dc.subject.engChromatinde
dc.subject.engHeterochromatinde
dc.subject.engMethylationde
dc.subject.engH3K9me3de
dc.subject.engCDYde
dc.subject.engCDYL1de
dc.subject.engCDYL2de
dc.subject.bk35.7de
dc.identifier.urnurn:nbn:de:gbv:7-webdoc-2341-8de
dc.identifier.purlwebdoc-2341de
dc.affiliation.instituteBiologische Fakultät inkl. Psychologiede
dc.subject.gokfullWde
dc.identifier.ppn618939490de


Dateien

Thumbnail

Das Dokument erscheint in:

Zur Kurzanzeige