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dc.contributor.advisor Jedrusik-Bode, Monika Dr. de
dc.contributor.author Studencka, Maja de
dc.date.accessioned 2013-01-14T15:06:05Z de
dc.date.available 2013-01-30T23:50:52Z de
dc.date.issued 2012-06-26 de
dc.identifier.uri http://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-000D-EF62-1 de
dc.description.abstract Im eukaryontischen Zellkern ist das Erbgut in einen Nukleoprotein-Komplex, das sogenannte Chromatin verpackt. Chromatin setzt sich aus DNA, den Core-Histonen (H2A, H2B, H3, H4), Linker-Histonen (H1) und Nicht-Histon-Proteinen zusammen. Eine solche spezifische Kompaktierung von DNA ist notwendig, um das große eukaryontische Genom im Zellkern zu verpacken und spielt eine essentielle Rolle bei der Aufrechterhaltung chromosomaler Integrität. Andererseits hat die korrekte Organisation des Chromatins eine essentielle Rolle bei DNA-Reparatur und bei der Regulation der Genexpression. Während des Transkriptionsvorgangs verändert sich die Chromatinstruktur von hochkondensiert, geordnet und unzugänglich hin zu einer entfalteten und genetisch aktiven Form. Der Übergang von aktiven hin zu repressiven Chromatinzuständen kann u.a. durch posttranslationale Modifikationenen (PTMs) von Histonen ermöglicht werden. Diese kovalenten Änderungen sind wichtig für die Regulation der Zugänglichkeit der DNA, um weitere chromatinverändernde Proteine zu rekrutieren. Neben den bekannten Modifikationen der H3 und H4 Core-Histonschwänze sind auch posttranslationale Modifikationen der H1 Linker-Histone wichtig für die Modulation bestimmter Chromatin-Zustände. Linker-Histone (H1) sind häufig vorkommende eukaryontische Chromatin-Proteine, die mit Linker-DNA-Fragmenten assoziieren und so die Chromatinfaserkonformation vervollständigen. Aktuelle Studien zeigten, dass die posttranslationale Methylierung des Säugetier-Histon H1 spezifisch von der Chromodomäne des Heterochromatin Protein 1 (HP1) erkannt wird. Die exakte biologische Rolle der Assoziation zwischen Linker-Histon und HP1 konnte jedoch noch nicht geklärt werden. In der vorliegenden Studie wurde die physiologische Funktion der posttranslationalen Modifikation der C. elegans Linker-Histon Variante HIS-24 untersucht. Die C. elegans H1Variante HIS-24 wird von dem HP1-ähnlichen Proteinen HPL anhand des monomethylierten Lysin 14 des Linker-Histons erkannt. Während das Säugetier-HP1-Protein spezifisch mit der dimethylierten Form von H1 interagiert, stellte sich heraus, dass eines der beiden C. elegans Heterochromatin-Protein-Homologe HPL-1 selektiv die monomethylierte Form des Nematoden-Histonvariante HIS-24 bindet. Die Analyse der Transkriptionsprofile von his-24- und hpl-defizienten C. elegans Tieren deckten auf, dass HIS-24- und HPL-2-Proteine eine genspezifische Rolle spielen und keine generelle repressive Funktion haben. Phänotypische Untersuchungen der C. elegans HIS-24- und HPL-2-Proteinfunktionen haben gezeigt dass beide chromatin-assoziierten Faktoren normale Reproduktion, Entwicklung der somatischen Gonaden und Vulva-Schicksalsbestimmung erlauben. Interessanterweise konnte die Studie zeigen, dass HIS-24 und HPL auch eine Rolle bei der Regulation der männlichen Schwanzentwicklung spielen und eine loss-of-function Mutation von his-24 und hpl-2 eine posteriore Transformationen der Kopulationsstrukturen bei C. elegans verursacht. Die genetische Untersuchung von his-24- und hpl-2-Mutanten unter Verwendung von GFP-getaggten Reportern zweier Hox-Gene, zeigte ektopische Expression der Homöodomänen-Transkriptionsfaktoren MAB-5 und EGL-5. Sie werden in der posterioren Region von C. elegans exprimiert und für die Entwicklung der sensory rays der Männchen benötigt. Die biochemischen Analysen mit Chromatin-Immunopräzipitation (ChIP) bestätigten, dass die Expression der Hox-Gene mab-5 und egl-5 negativ von HIS-24 reguliert wird. Desweiteren zeigten die Immunopräzipitations-Experimente, dass monomethyliertes HIS-24K14me1 spezifisch an den Chromatinmarker H3K27me3 bindet, welches mit der Stummschaltung von Hox-Genen assoziiert ist. Zusätzlich konnte durch die Expression der Wildtypform des HIS-24::GFP, jedoch nicht des HIS-24A14K::GFP, die Entwicklung der männlichen rays komplett wiederhergestellt werden, was nahelegt dass die beobachteten Veränderungen in der Entwicklung des männlichen Schwanzes von der Methylierung von HIS-24 abhängig sind. Diese Ergebnisse lassen vermuten, dass HIS-24K14me1 und HPL-2 als essentielle Proteinkomponenten bei der Etablierung und/oder Aufrechterhaltung der repressiven Chromatinstruktur bei den Hox-Genen dienen. Darüberhinaus ergab die Untersuchung der biologischen Funktion des HIS-24- und der HP1-ähnlichen Proteine HPL-1 und HPL-2 die kooperative transkriptionelle Regulation von für die Immunantwort verantwortlichen Genen. Durch die Anwendung von Genom-Profiling und quantitativer Proteomanalyse verschafft die vorliegende Studie einen ersten Einblick in die HIS-24K14me1- und HPL-1-abhängige negative Regulation von Genen, die antimikrobielle Faktoren enkodieren. Die Analyse der Empfindlichkeit gegenüber Infektionen mit Gram-positiven Bakterien der C. elegans his-24- und hpl-mutanten Stämme zeigte, dass das Fehlen der HIS-24 Histon-Variante die Anfälligkeit gegenüber Infektionen erhöht. Außerdem ergab die Untersuchung der transgenen C. elegans Linien, wie wichtig insbesondere die Anwesenheit der monomethylierten Form der HIS-24 für die angeborene Immunantwort ist. Zusätzlich offenbarte die mikroskopische Analyse von C. elegans Darmzellen, dass die bakterielle Infektion auch mit Änderungen in der Lokalisation der HIS-24 Variante assoziiert ist. Insbesondere die posttranslational modifizierte Form von HIS-24 ändert ihre Lokalisation von meist nuklear, in nicht infizierten Nematoden, hin zu sowohl nuklearer als auch zytoplasmatischer Lokalisation in den Darmzellen infizierter Tiere. Die Studie weist auf eine spezifische, auf die Immunantwort bezogene Rolle des C. Elegans Linker-Histon HIS-24 hin. Darüberhinaus ist eine Beziehung zwischen der posttranslationalen Modifikation von HIS-24 und den Schutz gegen das Eindringen von Mikroorganismen in den Organismus von C. Elegans naheliegend. Zusammenfassend verdeutlicht die Studie, dass Histon H1 nicht nur wichtig für Veränderungen der Chromatinstruktur ist, und nicht als allgemeine Repressor der Transkription betrachtet werden sollte. Die erbrachten Ergebnisse zeigen, dass HIS-24 die Expression spezifischer Gene regulieren kann und seine posttranslational modifizierte Form essentiell für die Schwanzentwicklung der C. elegans Männchen sowie auch für die Modulation der Immunantwort ist. de
dc.format.mimetype application/pdf de
dc.language.iso eng de
dc.rights.uri http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/ de
dc.title The influence of post-translational modifications on biology of the linker histone HIS-24 in Caenorhabditis elegans de
dc.type doctoralThesis de
dc.title.translated Der Einfluss posttranslationaler Modifikationen auf die Biologie des Linker-Histons HIS-24 in Caenorhabditis elegans de
dc.contributor.referee Hoyer-Fender, Sigrid Prof. Dr. de
dc.date.examination 2012-06-11 de
dc.subject.dnb 570 Biowissenschaften, Biologie de
dc.subject.gok WF 200 de
dc.description.abstracteng In the eukaryotic nucleus the genome is packaged into a nucleoprotein complex known as chromatin. The chromatin is composed of DNA, core histones (H2A, H2B, H3, H4), linker histones (H1) as well as non-histone proteins. Such a specific compaction of DNA is necessary for the packaging of a very large genome of eukaryotic cells into the nucleus and it plays an essential role in the maintenance of the chromosomal integrity. On the other hand, the proper chromatin organization has a crucial function in DNA repair and in regulation of gene expression. During the transcription process the chromatin structure changes from highly condensed, ordered and inaccessible to an unfolded and genetically active form. Transition between the active and repressive chromatin states can be established, among others, by post-translational modifications (PTMs) of histones. These covalent changes are found to be important for regulation of DNA accessibility for recruitment of further chromatin effector proteins. Apart from well-known modification of the H3 and H4 core histone tails, post-translational changes of the H1 linker histone are also critical for the modulation of particular chromatin states. Linker histones (H1) are highly abundant eukaryotic chromatin proteins, which associate with linker DNA fragments, completing the chromatin fibre formation. Recent studies have reported that the post-translational methylation of the mammalian histone H1 is specifically recognised by the chromodomain of heterochromatin protein 1 (HP1). However, the exact biological role of linker histone association with HP1 has not yet been elucidated. In the present study, the physiological function of post-translational modification of the C. elegans linker histone variant HIS-24 was determined. C. elegans H1 variant HIS-24 was found to be recognised by the HP1-like proteins HPL through the mono-methylated lysine 14 of the linker histone. While mammalian HP1 protein was found to specifically interact with the di-methylated form of H1, the one of two C. elegans heterochromatin protein homologues HPL-1 was identified to bind selectively the mono-methylated form of nematode histone variant HIS-24. The transcriptional profiles analysis of his-24 and hpl deficient C. elegans animals revealed that HIS-24 and HPL-2 proteins play gene-specific roles, rather than a general repressive function. Phenotypic investigation of the C. elegans HIS-24 and HPL-2 proteins functions showed that both chromatin associated factors allow normal reproduction, somatic gonad development and vulva cell fate decision. Interestingly, the study showed that HIS-24 and HPL-2 also play a role in regulation of male tail development, and his-24 and hpl-2 loss of function mutation causes posterior transformations of mating structures in C. elegans. The genetic study of his-24 and hpl-2 mutants using a GFP-tagged reporter of two Hox genes showed ectopic expression of MAB-5 and EGL-5 homeodomain transcription factors. They are expressed in the posterior region of C. elegans and are required for development of sensory rays in male. The biochemical analyses using chromatin immunoprecipitation (ChIP) approach confirmed that expression of mab-5 and egl-5 Hox genes is negatively regulated by HIS-24. Moreover, the immunoprecipitation experiments showed that mono-methylated HIS-24K14me1 specifically binds to the H3K27me3 chromatin mark, which is associated with the Hox genes silencing. Additionally, expression of wild type form of the HIS-24::GFP but not HIS-24A14K::GFP resulted in complete restoration of male ray development, suggesting that the observed changes in male tail development depend on HIS-24 methylation. These results indicate that HIS-24K14me1 and HPL-2 may serve as essential protein components in the establishment and/or maintenance of the repressive chromatin structure at the Hox genes. In addition, the investigation of the biological function of the HIS-24 and the HP1-like proteins HPL-1 and HPL-2 revealed the cooperative transcriptional regulation of immune response-related genes. By using the genome profiling and quantitative proteome analysis approaches, the present study provides first insight into the HIS-24K14me1 and HPL-1-dependant negative regulation of genes encoding antimicrobial factors. The analysis of sensitivity to infection with gram-positive bacteria of C. elegans his-24 and hpl mutant strains showed that the absence of HIS-24 histone variant results in increased sensitivity to infection. Further, investigation of C. elegans transgenic lines revealed that especially the presence of the mono-methylated form of HIS-24 is crucial for proper innate immune response process. In addition, microscopic analysis C. elegans intestinal cells revealed that bacterial infection is also associated with changes in the localisation of HIS-24 variant. In particular, post-translationally modified form of HIS-24 alters its localisation from mostly nuclear, in uninfected nematodes, to both nuclear and cytoplasmic in the intestinal cells of infected animals. The study points to a specific immune response-related role of the C. elegans linker histone HIS-24. Furthermore, they imply a relationship between the post-translational modification of HIS-24 and the protection against penetration by microorganisms in the C. elegans organism. Taken together, the study demonstrates that the H1 linker histone is not only important for chromatin structure changes, and it should not be considered as a general repressor of transcription. Obtained results show that HIS-24 can regulate expression of specific genes and its post-translationally modified form is essential for the C. elegans male tail development as well as for the immune response modulation. de
dc.contributor.coReferee Kessel, Michael Prof. Dr. de
dc.contributor.thirdReferee Doenecke, Detlef Prof. Dr. de
dc.subject.topic Biology (incl. Psychology) de
dc.subject.ger Linker-Histon de
dc.subject.ger Heterochromatin Proteine 1 de
dc.subject.ger posttranslationaler Modifikationen de
dc.subject.ger Hox-Gene de
dc.subject.ger C. elegans de
dc.subject.eng linker histone de
dc.subject.eng heterochromatin protein 1 de
dc.subject.eng post-translational modifications de
dc.subject.eng Hox genes de
dc.subject.eng C. elegans de
dc.subject.bk 42 de
dc.identifier.urn urn:nbn:de:gbv:7-webdoc-3583-8 de
dc.identifier.purl webdoc-3583 de
dc.affiliation.institute Biologische Fakultät de
dc.identifier.ppn 737897538 de

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