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The role of chromatin organization and structure in neuronal differentiation

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Dissertation
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Zusammenfassung

Chromatin structure is more than just a simple packaging scaffold for DNA. It organizes and coordinates the precise spatio-temporal transcription processes a cell needs for a properly orchestrated development. Epigenetics is the study of this type of regulation. It describes the processes that lead to chromatin decondensation or compaction and involves a multitude of different protein complexes and enzyme families. They carry out various functions like DNA-methylation, histone modification or energy-dependent chromatin remodeling and work together to ensure correct transcription of the DNA template. A dynamic transcription is most important during development. Here, the cell needs to execute lineage restriction while staying responsive to outside cues in order to differentiate properly. Neuronal development is of particular interest because it produces long-lived cell types and early mistakes in regulation can lead to severe disease phenotypes also later in life. However, once differentiation is completed and the neuronal cells have reached a mature postmitotic state they need to maintain a certain transcriptional balance over a long period of time. Recently, there have been a lot of studies linking epigenetic transcriptional regulation in neurons to processes that are also seen in neurodegenerative diseases. This thesis described the characterization of epigenetic modifiers in neurons and their possible implication in neurodegenerative disease development.
First, we provided a comparative transcriptional profiling of an epigenetic modifier gene set in five neuronal and three non-neuronal cell types. With this sensitive qPCR-based approach we were able to find a cell-type-specific regulation of subunits in remodelers like the SWI/SNF-complex. We also observed a neuron-specific expression of modifiers such as PRMT8, CHD5 and HDAC9. We continued by describing a form of repressive chromatin that is localized at the nuclear periphery of neurons and characteristic for postmitotic cells. This area is defined by a differentiation-dependent relocalization of the heterochromatin marks H3K27me3 and H3K9me3. For this part of the thesis we used the well-established LUHMES model cell line that produces mature postmitottic neurons within 6 days. Upon differentiation LUHMES cells stop to proliferate, exit the cell cycle and develop a functional neuronal network. LUHMES cells are widely used as model system to study neurodegeneration in dopaminergic neurons. In an attempt to combine the well-studied neurodegenerative aspects of this system with epigenetic research we restimulated cell cycle after differentiation. While this led to an upregulation of cell cycle markers, a condition also seen in early stages of neurodegeneration, the peripheral localization of H3K27me3 did not change. In addition, the restimulation of proliferation indicated activation but not progression of cell cycle; again a condition that is also found in neurodegenerative disease models. Simultaneously, we could observe the expression of replication stress markers in those cells. We hypothesized that the death of cell-cycle-stimulated neurons is due to the restrictive nature of the “heterochromatin barrier” we observed. This structure appears block DNA-synthesis, cause replicative stress and eventually lead to apoptosis.
In summary, we developed a qPCR-based array for the characterization of epigenetic modifier genes and we were able to link H3K27me3-relocalization in postmitotic neurons to a replication-stress-phenotype that is also seen in many neurodegenerative diseases. This work also confirms the usefulness of the LUHMES system as tool to study mechanistic and biochemical details of neurodegeneration.

Zusammenfassung in einer weiteren Sprache

Chromatinstruktur ist viel mehr als nur ein bloßes Verpackungsgerüst für DNA. Sie organisiert und koordiniert die genauen zeitlichen und räumlichen Transkriptionsprozesse, die eine Zelle für eine ordentliche Entwicklung benötigt. Die Epigenetik ist die Lehre solcher Regulationsprozesse. Sie beschreibt die Schritte, die zur Dekondensation oder Kompression von Chromatin führen, und sie umfasst eine Vielzahl an verschiedenen Proteinkomplexen und Enzymfamilien. Diese führen viele unterschiedliche Funktionen aus wie zum Beispiel DNA-Methylierung, Histonmodifikation und energieabhängige Chromatin-Remodellierung und sie sorgen gemeinsam für die korrekte Transkription der DNA-Matrize. Eine dynamische Transkription ist am wichtigsten während der Embryonalentwicklung. Um in dieser Phase ordentlichzu differenzieren, muss die Zelle zum einen in der Lage sein eine zelllinien-spezifische Restriktion durchzuführen und zum anderen muss sie aber auch auf externe Signale reagieren können. Die neuronale Entwicklung ist hier von besonderem Interesse, da sie langlebige Zellen hervorbringt und Fehler in der Regulation zu schweren Krankheitsbildern, auch im späteren Leben, führen können. Ist der Differenzierungsvorgang jedoch einmal abgeschlossen und die neuronalen Zellen haben einen reifen postmitotischen Zustand erreicht, müssen sie eine gewisses Gleichgewicht der Transkriptionsprozesse über einen sehr langen Zeitraum aufrecht erhalten. In jüngster Zeit wurden viele Studien veröffentlicht, die epigenetische Transkriptionsregulation mit Prozessen verbinden, die auch in neurodegenerativen Erkrankungen auftreten. In der hier vorgestellten Arbeit wurde die Charakterisierung epigenetischer Regulatorproteine in Neuronen beschrieben und deren mögliche Rolle in neurodegenerativen Erkrankungen untersucht.
Zunächst erstellten wir ein vergleichendes Transkriptionsprofil epigenetischer Regulatorproteine in fünf neuronalen und drei nicht-neuronalen Zelltypen. Mit Hilfe dieses sensitiven, auf qPCR-Daten basierenden Ansatzes waren wir in der Lage einen zelltypspezifischen Austausch von Untereinheiten in Remodellierungsproteinen wie dem SWI/SNF-Komplex nachzuweisen. Wir konnten außerdem eine neuronenspezifische Expression von epigenetischen Regulatoren wie PRMT8, CHD5 und HDAC9 beobachten. Desweiteren konnten wir eine Form von restriktivem Chromatin beschreiben, die an der nuleären Peripherie von Neuronen lokalisiert ist und postmitotische Zellen charakterisiert. Dieses Areal ist definiert durch eine differenzierungs-abhängige Umlagerung der Heterochromatinmarker H3K27me3 und H3K9me3. Für diesem Teil der Arbeit verwendeten wir die robuste LUHMES Zelllinie, die in der Lage ist innerhalb von 6 Tagen reife, postmitotische Neuronen zu produzieren. Während des Differenzierungsprozesses stellen LUHMES Zellen die Proliferation ein, treten aus dem Zellzyklus aus und bilden ein funktionelles neuronales Netzwerk. LUHMES Zellen sind als Modellsystem zur Untersuchung neurodegenerativer Erkrankungn in dopaminergen Neuronen sehr verbreitet. In einem Versuch die gut untersuchten neurodegenerativen Aspekte dieses Zellsystems mit epigenetischer Forschung zu verbinden, haben wir nach abgeschlossener Differenzierung erneut Zellzyklusprozesse stimuliert. Obwohl dies tatsächlich zu einem Anstieg in der Expression von Zellzyklusmarkern führte, ein Vorgang der gleichzeitig in frühen Stadien der Neurodegeneration beobachtet wird, änderte sich nichts an der periphären Lokalisation von H3K27me3. Zusätzlich deuteten stimulierte Zellen zwar auf eine Aktivierung jedoch nicht auf das Fortschreiten des Zellzykluses hin. Ein Zustand der ebenfalls in Neurodegenerationsmodellen vorgefunden wird. Zeitgleich konnten wir die Expression von Replikationsstressmarkern in diesen Zellen beobachten. Wir stellten die Hypothese auf, dass das Absterben von zellzyklus-stimulierten Neuronen durch die restriktiven Eigenschaften der periphären „Heterochromatinbarriere“, die wir beschreiben konnten, ausgelöst wird. Diese Struktur scheint DNA-Synthese zu blockieren, replikativen Stress hervorzurufen und schließlich Apoptose zu verursachen.
Zusammenfassend konnten wir ein qPCR-basiertes Verfahren zur Charakterisierung von epigenetischen Regulatoren entwickeln und wir waren in der Lage die Umlagerung von H3K27me3 in postmitotischen Neuronen mit einem Phänotyp zu verknüpfen, der häufig in neurodegenerativen Erkrankungen beobachtet wird. Diese Arbeit bestätigt außerdem die Nützlichkeit des LUHMES Zellsystems als Werkzeug für detailierte mechanistische und biochemische Studien in der Neurodegenerationsforschung.

Fachgebiet (DDC)
570 Biowissenschaften, Biologie

Schlagwörter

neuronal differentiation, epigenetic, chromatin structure

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ISO 690WENG, Matthias K., 2014. The role of chromatin organization and structure in neuronal differentiation [Dissertation]. Konstanz: University of Konstanz
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May 28, 2014
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