Defining the Role of the Histone Methyltransferase, PR-Set7, in Maintaining the Genome Integrity of Drosophila Melanogaster

The complete and faithful duplication of the genome is essential to ensure normal cell division and organismal development. Eukaryotic DNA replication is initiated at multiple sites termed origins of replication that are activated at different time through S phase. The replication timing program is regulated by the S-phase checkpoint, which signals and repairs replicative stress. Eukaryotic DNA is packaged with histones into chromatin, thus DNA-templated processes including replication are modulated by the local chromatin environment such as post-translational modifications (PTMs) of histones.

One such epigenetic mark, methylation of lysine 20 on histone H4 (H4K20), has been linked to chromatin compaction, transcription, DNA repair and DNA replication. H4K20 can be mono-, di- and tri-methylated. Monomethylation of H4K20 (H4K20me1) is mediated by the cell cycle-regulated histone methyltransferase PR-Set7 and subsequent di-/tri- methylation is catalyzed by Suv4-20. Prior studies have shown that PR-Set7 depletion in mammalian cells results in defective S phase progression and the accumulation of DNA damage, which may be partially attributed to defects in origin selection and activation. Meanwhile, overexpression of mammalian PR-Set7 recruits components of pre-Replication Complex (pre-RC) onto chromatin and licenses replication origins for re-replication. However, these studies were limited to only a handful of mammalian origins, and it remains unclear how PR-Set7 impacts the replication program on a genomic scale. Finally, the methylation substrates of PR-Set7 include both histone (H4K20) and non-histone targets, therefore it is necessary to directly test the role of H4K20 methylation in PR-Set7 regulated phenotypes.

I employed genetic, cytological, and genomic approaches to better understand the role of H4K20 methylation in regulating DNA replication and genome stability in Drosophila melanogaster cells. Depletion of Drosophila PR-Set7 by RNAi in cultured Kc167 cells led to an ATR-dependent cell cycle arrest with near 4N DNA content and the accumulation of DNA damage, indicating a defect in completing S phase. The cells were arrested at the second S phase following PR-Set7 downregulation, suggesting that it was an epigenetic effect that coupled to the dilution of histone modification over multiple cell cycles. To directly test the role of H4K20 methylation in regulating genome integrity, I collaborated with the Duronio Lab and observed spontaneous DNA damage on the imaginal wing discs of third instar mutant larvae that had an alanine substitution on H4K20 (H4K20A) thus unable to be methylated, confirming that H4K20 is a bona fide target of PR-Set7 in maintaining genome integrity.

One possible source of DNA damage due to loss of PR-Set7 is reduced origin activity. I used BrdU-seq to profile the genome-wide origin activation pattern. However, I found that deregulation of H4K20 methylation states by manipulating the H4K20 methyltransferases PR-Set7 and Suv4-20 had no impact on origin activation throughout the genome. I then mapped the genomic distribution of DNA damage upon PR-Set7 depletion. Surprisingly, ChIP-seq of the DNA damage marker γ-H2A.v located the DNA damage to late replicating euchromatic regions of the Drosophila genome, and the strength of γ-H2A.v signal was uniformly distributed and spanned the entire late replication domain, implying stochastic replication fork collapse within late replicating regions. Together these data suggest that PR-Set7-mediated monomethylation of H4K20 is critical for maintaining the genomic integrity of late replicating domains, presumably via stabilization of late replicating forks.

In addition to investigating the function of H4K20me, I also used immunofluorescence to characterize the cell cycle regulated chromatin loading of Mcm2-7 complex, the DNA helicase that licenses replication origins, using H4K20me1 level as a proxy for cell cycle stages. In parallel with chromatin spindown data by Powell et al. (Powell et al. 2015), we showed a continuous loading of Mcm2-7 during G1 and a progressive removal from chromatin through S phase.

Study of histone H3 lysine 56 deacetylation in saccharomyces cerevisiae

Chez la levure Saccharomyces cerevisiae, l'acétylation de l'histone H3 sur la lysine 56 (H3K56ac) est présente sur les histones néo-synthétisées déposées derrière les fourches de réplication et est essentielle pour préserver la viabilité cellulaire en réponse au dommage à l'ADN. La désacétylation d'H3K56 sur l'ensemble du génome catalysée par Hst3 et Hst4 et a lieu en phase G2 ou M. H3K56ac est une lame à double tranchant. L'absence d'H3K56ac rend les cellules sensibles aux dommages à l'ADN. En revanche, un excès d'acétylation d'H3K56 dans un mutant hst3Δ hst4Δ a des conséquences encore plus sévères tels que la thermo-sensibilité, l'hypersensibilité aux agents génotoxiques, l'instabilité génomique ainsi qu'une courte durée de vie réplicative. Les désacétylases Hst3 et Hst4 sont étroitement régulées au cours du cycle cellulaire afin de permettre à l'H3K56ac d'exercer son rôle en réponse aux dommages à l'ADN tout en évitant les conséquences néfastes de l'hyperacétylation d'H3K56. Dans cette thèse, nous avons identifié la machinerie moléculaire responsable de la dégradation de Hst3. De plus, nous avons exploré les raisons pour lesquelles l'absence de désacétylation donne lieu aux phénotypes du mutant hst3Δ hst4Δ. Au chapitre 2, nous démontrons que la dégradation d'Hst3 peut être complétée avant l'anaphase. Ceci suggère que la désacétylation de H3K56 a lieu durant une courte fenêtre du cycle cellulaire se situant entre la complétion de la phase S et la métaphase. De plus, nous avons identifié deux sites de phosphorylation d'Hst3 par la kinase cycline-dépendante 1 (Cdk1) et démontré que ces évènements de phosphorylation conduisent à la dégradation d'Hst3 in vivo. Nous avons aussi démontré que l'ubiquityltransférase Cdc34 et l'ubiquitine ligase SCFCdc4 sont requises pour la dégradation d'Hst3. Finalement, nous avons montré que la phosphorylation d'Hst3 par la kinase mitotique Clb2-Cdk1 peut directement entraîner l'ubiquitylation d'Hst3 par SCFCdc4 in vitro. Au chapitre 3, nous avons étudié les mécanismes moléculaires sous-jacents à la sensibilité extrême du mutant hst3Δ hst4Δ aux agents qui endommagent l'ADN. Nous avons établi qu'en raison de la présence anormale d'H3K56ac devant les fourches de réplication, le mutant hst3Δ hst4Δ exhibe une forte perte de viabilité lorsqu'exposé au méthyl méthanesulfonate (MMS) durant un seul passage à travers la phase S. Nous avons aussi découvert que, malgré le fait que le point de contrôle de réponse aux dommages à l'ADN est activé normalement dans le mutant hst3Δ hst4Δ, ce mutant est incapable de compléter la réplication de l'ADN et d'inactiver le point de contrôle pour une longue période de temps après exposition transitoire au MMS. L'ensemble de nos résultats suggère que les lésions à l'ADN induites par le MMS dans le mutant hst3Δ hst4Δ causent une forte perte de viabilité parce que ce mutant est incapable de compléter la réplication de l'ADN après une exposition transitoire au MMS. Dans la deuxième section du chapitre 3, nous avons employé une approche génétique afin d'identifier de nouveaux mécanismes de suppression de deux phénotypes prononcés du mutant hst3Δ hst4Δ. Nous avons découvert que la délétion de plusieurs gènes impliqués dans la formation de frontières entre l'hétérochromatine et de l'euchromatine atténue les phénotypes du mutant hst3Δ hst4Δ sans réduire l'hyperacétylation d'H3K56. Nos résultats indiquent aussi que l'abondante acétylation de l'histone H4 sur la lysine 16 (H4K16ac) est néfaste au mutant hst3Δ hst4Δ. Ce résultat suggère un lien génétique intriguant entre l'acétylation d'H3K56 et celle d'H4K16. L'existence de ce lien était jusqu'à présent inconnu. Nous avons identifié un groupe de suppresseurs spontanés où H3K56ac est indétectable, mais la majorité de nos suppresseurs ne montrent aucune réduction flagrante d'H3K56ac ou d'H4 K16ac par rapport aux niveaux observés dans le mutant hst3Δ hst4Δ. Une étude plus approfondie de ce groupe de suppresseurs est susceptible de mener à la découverte de nouveaux mécanismes génétiques ou épigénétiques permettant d'éviter les conséquences catastrophiques de l'hyperacétylation d'H3K56 chez le mutant hst3Δ hst4Δ. En résumé, cette thèse identifie la machinerie moléculaire responsable de la dégradation d'Hst3 (une désacétylase d'H3K56) durant une fenêtre de temps situées entre la fin de la phase S et la métaphase. Nos résultats permettent aussi d'expliquer pourquoi la dégradation d'Hst3 précède le début de la phase S durant laquelle l'acétylation d'H3K56 s'accumule derrière les fourches de réplication afin d'exercer son rôle de mécanisme de défense contre le dommage à l'ADN. De plus, nous avons identifié plusieurs suppresseurs qui permettent de contourner le rôle important d'Hst3 et Hst4 en réponse au dommage à l'ADN. Plusieurs suppresseurs révèlent un lien génétique inattendu entre deux formes abondantes d'acétylation des histones chez Saccharomyces cerevisiae, soit H3K56ac et H4K16ac.

Epigenetics and behavioural plasticity: drosophila euchromatin histone metiltransferase and foraging

A thesis submitted in fulfillment of the requirements for the degree of Masters in Molecular Genetics and Biomedicine

E2F1 mediates DNA damage and apoptosis through HCF-1 and the MLL family of histone methyltransferases.

E2F1 is a key positive regulator of human cell proliferation and its activity is altered in essentially all human cancers. Deregulation of E2F1 leads to oncogenic DNA damage and anti-oncogenic apoptosis. The molecular mechanisms by which E2F1 mediates these two processes are poorly understood but are important for understanding cancer progression. During the G1-to-S phase transition, E2F1 associates through a short DHQY sequence with the cell-cycle regulator HCF-1 together with the mixed-lineage leukaemia (MLL) family of histone H3 lysine 4 (H3K4) methyltransferases. We show here that the DHQY HCF-1-binding sequence permits E2F1 to stimulate both DNA damage and apoptosis, and that HCF-1 and the MLL family of H3K4 methyltransferases have important functions in these processes. Thus, HCF-1 has a broader role in E2F1 function than appreciated earlier. Indeed, sequence changes in the E2F1 HCF-1-binding site can modulate both up and down the ability of E2F1 to induce apoptosis indicating that HCF-1 association with E2F1 is a regulator of E2F1-induced apoptosis.

Linking epigenetics to lipid metabolism: focus on histone deacetylases.

A number of recent studies revealed that epigenetic modifications play a central role in the regulation of lipid and of other metabolic pathways such as cholesterol homeostasis, bile acid synthesis, glucose and energy metabolism. Epigenetics refers to aspects of genome functions regulated in a DNA sequence-independent fashion. Chromatin structure is controlled by epigenetic mechanisms through DNA methylation and histone modifications. The main modifications are histone acetylation and deacetylation on specific lysine residues operated by two different classes of enzymes: Histone acetyltransferases (HATs) and histone deacetylases (HDACs), respectively. The interaction between these enzymes and histones can activate or repress gene transcription: Histone acetylation opens and activates chromatin, while deacetylation of histones and DNA methylation compact chromatin making it transcriptionally silent. The new evidences on the importance of HDACs in the regulation of lipid and other metabolic pathways will open new perspectives in the comprehension of the pathophysiology of metabolic disorders.

Histone deacetylase inhibition as an alternative strategy against invasive aspergillosis.

Invasive aspergillosis (IA) is a life-threatening infection due to Aspergillus fumigatus and other Aspergillus spp. Drugs targeting the fungal cell membrane (triazoles, amphotericin B) or cell wall (echinocandins) are currently the sole therapeutic options against IA. Their limited efficacy and the emergence of resistance warrant the identification of new antifungal targets. Histone deacetylases (HDACs) are enzymes responsible of the deacetylation of lysine residues of core histones, thus controlling chromatin remodeling and transcriptional activation. HDACs also control the acetylation and activation status of multiple non-histone proteins, including the heat shock protein 90 (Hsp90), an essential molecular chaperone for fungal virulence and antifungal resistance. This review provides an overview of the different HDACs in Aspergillus spp. as well as their respective contribution to total HDAC activity, fungal growth, stress responses, and virulence. The potential of HDAC inhibitors, currently under development for cancer therapy, as novel alternative antifungal agents against IA is discussed.

Histone H1 expression varies during the Leishmania major life cycle.

The deduced amino acid sequence of Leishmania major sw3 cDNA reveals the presence of characteristic histone H1 amino acid motifs. However, the open reading frame is of an unusually small size for histone H1 (105 amino acids) because it lacks the coding potential for the central hydrophobic globular domain of linker histones present in other eukaryotes. Here, we provide biochemical evidence that the SW3 protein is indeed a L. major nuclear histone H1, and that it is differentially expressed during the life cycle of the parasite. Due to its high lysine content, the SW3 protein can be purified to a high degree from L. major nuclear lysates with 5% perchloric acid, a histone H1 preparative method. Using an anti-SW3 antibody, this protein is detected as a 17 kDa or as a 17/19 kDa doublet in the nuclear subfraction in different L. major strains. The nuclear localization of the SW3 protein is further supported by immunofluorescence studies. During in vitro promastigote growth, both the sw3 cytoplasmic mRNA and its protein progressively accumulate within parasites from early log phase to stationary phase. Within amastigotes, the high level of H1 expression is maintained but decreases when amastigotes differentiate into promastigotes. Together, these observations suggest that the different levels of this histone H1 protein could influence the varying degrees of chromatin condensation during the life-cycle of the parasite, and provide us with tools to study this mechanism.

Epigenetic Activation of SOX11 in Lymphoid Neoplasms by Histone Modifications

Recent studies have shown aberrant expression of SOX11 in various types of aggressive B-cell neoplasms. To elucidate the molecular mechanisms leading to such deregulation, we performed a comprehensive SOX11 gene expression and epigenetic study in stem cells, normal hematopoietic cells and different lymphoid neoplasms. We observed that SOX11 expression is associated with unmethylated DNA and presence of activating histone marks (H3K9/14Ac and H3K4me3) in embryonic stem cells and some aggressive B-cell neoplasms. In contrast, adult stem cells, normal hematopoietic cells and other lymphoid neoplasms do not express SOX11. Such repression was associated with silencing histone marks H3K9me2 and H3K27me3. The SOX11 promoter of non-malignant cells was consistently unmethylated whereas lymphoid neoplasms with silenced SOX11 tended to acquire DNA hypermethylation. SOX11 silencing in cell lines was reversed by the histone deacetylase inhibitor SAHA but not by the DNA methyltransferase inhibitor AZA. These data indicate that, although DNA hypermethylation of SOX11 is frequent in lymphoid neoplasms, it seems to be functionally inert, as SOX11 is already silenced in the hematopoietic system. In contrast, the pathogenic role of SOX11 is associated with its de novo expression in some aggressive lymphoid malignancies, which is mediated by a shift from inactivating to activating histone modifications.

Histone demethylase retinoblastoma binding protein 2 regulates the expression of α-smooth muscle actin and vimentin in cirrhotic livers

Liver cirrhosis is one of the most common diseases of Chinese patients. Herein, we report the high expression of a newly identified histone 3 lysine 4 demethylase, retinoblastoma binding protein 2 (RBP2), and its role in liver cirrhosis in humans. The siRNA knockdown of RBP2 expression in hepatic stellate cells (HSCs) reduced levels of α-smooth muscle actin (α-SMA) and vimentin and decreased the proliferation of HSCs; and overexpression of RBP2 increased α-SMA and vimentin levels. Treatment with transforming growth factor β (TGF-β) upregulated the expression of RBP2, α-SMA, and vimentin, and the siRNA knockdown of RBP2 expression attenuated TGF-β-mediated upregulation of α-SMA and vimentin expression and HSC proliferation. Furthermore, RBP2 was highly expressed in cirrhotic rat livers. Therefore, RBP2 may participate in the pathogenesis of liver cirrhosis by regulating the expression of α-SMA and vimentin. RBP2 may be a useful marker for the diagnosis and treatment of liver cirrhosis.

Analytical strategies for the comprehensive profiling of histone post translational modifications by mass spectrometry and implications for functional analyses

Le long bio-polymère d'ADN est condensé à l’intérieur du noyau des cellules eukaryotes à l'aide de petites protéines appelées histones. En plus de leurs fonctions condensatrices,ces histones sont également la cible de nombreuses modifications post-traductionnelles(MPT), particulièrement au niveau de leur section N-terminale. Ces modifications réversibles font partie d’un code d’histones épi-génétique transmissible qui orchestre et module dynamiquement certains événements impliquant la chromatine, tels l’activation et la désactivation de gènes ainsi que la duplication et la réparation d’ADN. Ces modifications sont impliquées subséquemment dans la signalisation et la progression de cancers, tels que la leucémie. En conséquence, l'élucidation des modifications d’histones est importante pour comprendre leurs fonctions biologiques. Une méthodologie analytique a été mise au point en laboratoire pour isoler, détecter, et quantifier les MPT d’histones en utilisant une approche rapide à deux volets à l’aide d’outils bioinformatiques spécialisés. La méthodologie développée en laboratoire a été validée en utilisant des histones de souche sauvage ainsi que deux types d’histones mutants déficients en enzymes acétyltransferase. Des trois sources d’histones utilisées, la seule MPT qui a démontré un changement significatif est l’acétylation de l’histone H3 à lysine 56 (H3K56ac). L’expression et la stoechiométrie de cette MPT, issue de cellules de souche sauvage et de cellules mutantes, ont été déterminées avec précision et comparées. Les fonctions de balayage polyvalentes d'un instrument à trappe ionique quadrupôle linéaire hybride ont été utilisées pour améliorer la détection de protéines intactes. Le mode de balayage « enhanced multiply charged » (EMC) a été modifié pour contenir et détecter les ions de protéines intactes situées dans la trappe ionique linéaire. Ce mode de balayage nommé « targeted EMC » (tEMC) a permis de quadrupler le niveau de sensibilité (signal/interférence), et quintupler la résolution du mode de balayage conventionnel. De plus, la capacité de séparation des charges du tEMC a réduit de façon significative les effets de « space charge » dans la trappe ionique linéaire. La résolution supérieure du mode tEMC a permis de différencier plusieurs isoformes modifiées, particulièrement pour l’histone H3. L’analyse des peptides d’histones trypsiques à l’aide du mode de balayage « MRM » a permis le séquençage et la quantification de MPT avec un haut degré de précision. La seule MPT qui était sous-exprimée entre l’histone de souche sauvage et le mutant DOT1L fut la méthylation de l’histone H3 lysine 79(H3K79me1). Les effets de deux inhibiteurs d’enzymes HDAC (HDACi) sur l’expression de MPT d’histone ont été évalués en utilisant la méthodologie analytique mentionnée. Les histones extraites de cellules normales et cancéreuses ont été exposées à du Vorinostat(SAHA) ou du Entinostat (MS-275) pour une période de 24 à 72 heures. Deux histones furent principalement affectées, soit H3 et H4. Étonnamment, les mêmes effets n'ont pas été détectés lorsque les cellules normales ont été traitées avec le HDACi pour une période de 48 à 72 heures. Une méthode absolue de quantification avec une courbe d’étalonnage a été développée pour le peptide H3K56ac. Contrairement à certaines publications, nos résultats démontrent que cette MPT est présente dans les cellules mammifères avec une stoechiométrie très basse (< 0,1%) et n'est pas surexprimée de façon significative après le traitement au HDACi.

Caractérisation de la fonction des complexes histone déacétylases Rpd3S et Set3C

La chromatine est essentielle au maintien de l’intégrité du génome, mais, ironiquement, constitue l’obstacle principal à la transcription des gènes. Plusieurs mécanismes ont été développés par la cellule pour pallier ce problème, dont l’acétylation des histones composant les nucléosomes. Cette acétylation, catalysée par des histones acétyl transférases (HATs), permet de réduire la force de l’interaction entre les nucléosomes et l’ADN, ce qui permet à la machinerie transcriptionnelle de faire son travail. Toutefois, on ne peut laisser la chromatine dans cet état permissif sans conséquence néfaste. Les histone déacétylases (HDACs) catalysent le clivage du groupement acétyle pour permettre à la chromatine de retrouver une conformation compacte. Cette thèse se penche sur la caractérisation de la fonction et du mécanisme de recrutement des complexes HDACs Rpd3S et Set3C. Le complexe Rpd3S est recruté aux régions transcrites par une interaction avec le domaine C-terminal hyperphosphorylé de Rpb1, une sous-unité de l’ARN polymérase II. Toutefois, le facteur d’élongation DSIF joue un rôle dans la régulation de cette association en limitant le recrutement de Rpd3S aux régions transcrites. L’activité HDAC de Rpd3S, quant à elle, dépend de la méthylation du résidu H3K36 par l’histone méthyltransférase Set2. La fonction du complexe Set3C n’est pas clairement définie. Ce complexe est recruté à la plupart de ses cibles par l’interaction entre le domaine PHD de Set3 et le résidu H3K4 di- ou triméthylé. Un mécanisme indépendant de cette méthylation, possiblement le même que pour Rpd3S, régit toutefois l’association de Set3C aux régions codantes des gènes les plus transcrits. La majorité de ces résultats ont été obtenus par la technique d’immunoprécipitation de la chromatine couplée aux biopuces (ChIP-chip). Le protocole technique et le design expérimental de ce type d’expérience fera aussi l’objet d’une discussion approfondie.

Role of histone methylation in the regulation of COX-2, iNOS, and mPGES-1 gene expression in human chondrocytes: Implication for Osteoarthritis

L'arthrose (OA) est une maladie articulaire dégénérative, classée comme la forme la plus fréquente au monde. Elle est caractérisée par la dégénérescence du cartilage articulaire, l’inflammation de la membrane synoviale, et le remodelage de l’os sous-chondral. Ces changements structurels et fonctionnels sont dues à de nombreux facteurs. Les cytokines, les prostaglandines (PG), et les espèces réactives de l'oxygène sont les principaux médiateurs impliqués dans la pathophysiologie de l'OA. L'interleukine-1β (IL-1β) est une cytokine pro-inflammatoire majeure qui joue un rôle crucial dans l'OA. L'IL-1β induit l'expression de la cyclooxygénase-2 (COX-2), la microsomale prostaglandine E synthase-1 (mPGES-1), la synthase inductible de l'oxyde nitrique (iNOS), ainsi que leurs produits la prostaglandine E2 (PGE2) et l'oxyde nitrique (NO). Ce sont des médiateurs essentiels de la réponse inflammatoire au cours de l'OA qui contribuent aux mécanismes des douleurs, de gonflement, et de destruction des tissus articulaires. Les modifications épigénétiques jouent un rôle très important dans la régulation de l’expression de ces gènes pro-inflammatoires. Parmi ces modifications, la méthylation/ déméthylation des histones joue un rôle critique dans la régulation des gènes. La méthylation/ déméthylation des histones est médiée par deux types d'enzymes: les histones méthyltransférases (HMT) et les histones déméthylases (HDM) qui favorisent l’activation et/ou la répression de la transcription. Il est donc nécessaire de comprendre les mécanismes moléculaires qui contrôlent l’expression des gènes de la COX-2, la mPGES-1, et l’iNOS. L'objectif de cette étude est de déterminer si la méthylation/déméthylation des histones contribute à la régulation de l’expression des gènes COX-2, mPGES-1, et iNOS dans des chondrocytes OA humains induits par l'IL-1β. Nous avons montré que la méthylation de la lysine K4 de l'histone H3 (H3K4) par SET-1A contribue à l’activation des gènes COX-2 et iNOS dans les chondrocytes humains OA induite par l'IL-1β. Nous avons également montré que la lysine K9 de l’histone H3 (H3K9) est déméthylée par LSD1, et que cette déméthylation contribue à l’expression de la mPGES-1 induite par IL-1β dans les chondrocytes humains OA. Nous avons aussi trouvé que les niveaux d'expression des enzymes SET-1A et LSD1 sont élevés au niveau du cartilage OA. Nos résultats montrent, pour la première fois, l'implication de la méthylation/ déméthylation des histones dans la régulation de l’expression des gènes COX-2, mPGES-1, et iNOS. Ces données suggèrent que ces mécanismes pourraient être une cible potentielle pour une intervention pharmacologique dans le traitement de la physiopathologie de l'OA.

Heterochromatin und epigenetische Kontrolle der Centromere in Dictyostelium discoideum

Heterochromatin Protein 1 (HP1) is an evolutionarily conserved protein required for formation of a higher-order chromatin structures and epigenetic gene silencing. The objective of the present work was to functionally characterise HP1-like proteins in Dictyostelium discoideum, and to investigate their function in heterochromatin formation and transcriptional gene silencing. The Dictyostelium genome encodes three HP1-like proteins (hcpA, hcpB, hcpC), from which only two, hcpA and hcpB, but not hcpC were found to be expressed during vegetative growth and under developmental conditions. Therefore, hcpC, albeit no obvious pseudogene, was excluded from this study. Both HcpA and HcpB show the characteristic conserved domain structure of HP1 proteins, consisting of an N-terminal chromo domain and a C-terminal chromo shadow domain, which are separated by a hinge. Both proteins show all biochemical activities characteristic for HP1 proteins, such as homo- and heterodimerisation in vitro and in vivo, and DNA binding activtity. HcpA furthermore seems to bind to K9-methylated histone H3 in vitro. The proteins thus appear to be structurally and functionally conserved in Dictyostelium. The proteins display largely identical subnuclear distribution in several minor foci and concentration in one major cluster at the nuclear periphery. The localisation of this cluster adjacent to the nucleus-associated centrosome and its mitotic behaviour strongly suggest that it represents centromeric heterochromatin. Furthermore, it is characterised by histone H3 lysine-9 dimethylation (H3K9me2), which is another hallmark of Dictyostelium heterochromatin. Therefore, one important aspect of the work was to characterise the so-far largely unknown structural organisation of centromeric heterochromatin. The Dictyostelium homologue of inner centromere protein INCENP (DdINCENP), co-localized with both HcpA and H3K9me2 during metaphase, providing further evidence that H3K9me2 and HcpA/B localisation represent centromeric heterochromatin. Chromatin immunoprecipitation (ChIP) showed that two types of high-copy number retrotransposons (DIRS-1 and skipper), which form large irregular arrays at the chromosome ends, which are thought to contain the Dictyostelium centromeres, are characterised by H3K9me2. Neither overexpression of full-length HcpA or HcpB, nor deletion of single Hcp isoforms resulted in changes in retrotransposon transcript levels. However, overexpression of a C-terminally truncated HcpA protein, assumed to display a dominant negative effect, lead to an increase in skipper retrotransposon transcript levels. Furthermore, overexpression of this protein lead to severe growth defects in axenic suspension culture and reduced cell viability. In order to elucidate the proteins functions in centromeric heterochromatin formation, gene knock-outs for both hcpA and hcpB were generated. Both genes could be successfully targeted and disrupted by homologous recombination. Surprisingly, the degree of functional redundancy of the two isoforms was, although not unexpected, very high. Both single knock-out mutants did not show any obvious phenotypes under standard laboratory conditions and only deletion of hcpA resulted in subtle growth phenotypes when grown at low temperature. All attempts to generate a double null mutant failed. However, both endogenous genes could be disrupted in cells in which a rescue construct that ectopically expressed one of the isoforms either with N-terminal 6xHis- or GFP-tag had been introduced. The data imply that the presence of at least one Hcp isoform is essential in Dictyostelium. The lethality of the hcpA/hcpB double mutant thus greatly hampered functional analysis of the two genes. However, the experiment provided genetic evidence that the GFP-HcpA fusion protein, because of its ability to compensate the loss of the endogenous HcpA protein, was a functional protein. The proteins displayed quantitative differences in dimerisation behaviour, which are conferred by the slightly different hinge and chromo shadow domains at the C-termini. Dimerisation preferences in increasing order were HcpA-HcpA << HcpA-HcpB << HcpB-HcpB. Overexpression of GFP-HcpA or a chimeric protein containing the HcpA C-terminus (GFP-HcpBNAC), but not overexpression of GFP-HcpB or GFP-HcpANBC, lead to increased frequencies of anaphase bridges in late mitotic cells, which are thought to be caused by telomere-telomere fusions. Chromatin targeting of the two proteins is achieved by at least two distinct mechanisms. The N-terminal chromo domain and hinge of the proteins are required for targeting to centromeric heterochromatin, while the C-terminal portion encoding the CSD is required for targeting to several other chromatin regions at the nuclear periphery that are characterised by H3K9me2. Targeting to centromeric heterochromatin likely involves direct binding to DNA. The Dictyostelium genome encodes for all subunits of the origin recognition complex (ORC), which is a possible upstream component of HP1 targeting to chromatin. Overexpression of GFP-tagged OrcB, the Dictyostelium Orc2 homologue, showed a distinct nuclear localisation that partially overlapped with the HcpA distribution. Furthermore, GFP-OrcB localized to the centrosome during the entire cell cycle, indicating an involvement in centrosome function. DnmA is the sole DNA methyltransferase in Dictyostelium required for all DNA(cytosine-)methylation. To test for its in vivo activity, two different cell lines were established that ectopically expressed DnmA-myc or DnmA-GFP. It was assumed that overexpression of these proteins might cause an increase in the 5-methyl-cytosine(5-mC)-levels in the genomic DNA due to genomic hypermethylation. Although DnmA-GFP showed preferential localisation in the nucleus, no changes in the 5-mC-levels in the genomic DNA could be detected by capillary electrophoresis.

Holocarboxylase Synthetase-dependent Biotinylation of Histone H4

Holocarboxylase synthetase (HCS) catalyzes the binding of biotin to lysine (K) residues in histones H3 and H4. Histone biotinylation marks play important roles in the repression of genes and retrotransposons. Preliminary studies suggested that K16 in histone H4 is a target for biotinylation by HCS. Here we demonstrated that H4K16bio is overrepresented in repeat regions {pericentromeric alpha satellite repeats; long terminal repeats (LTR)} compared with euchromatin promoters. H4K16bio was also enriched in the repressed interleukin-2 gene promoter. The enrichment at LTR22 and promoter 1 of the sodium-dependent multivitamin transporter (SMVT) depended on biotin supply; and was significantly lower in fibroblasts from an HCS-deficient patient compared with an HCS wild-type control. We conclude that H4K16bio is a real phenomenon and plays a role in the transcriptional repression of repeats and genes. HCS catalyzes the covalent binding of biotin to carboxylases, in addition to its role as a histone biotinyl ligase. HCS null individuals are not viable whereas HCS deficiency is linked to developmental delays and phenotypes such as short life span and low stress resistance. Here, we developed a 96-well plate assay for high-throughput analysis of HCS based on the detection of biotinylated p67 using IRDye-streptavidin and infrared spectroscopy. We demonstrated that the catalytic activity of rHCS depends on temperature and time, and proposed optimal substrate and enzyme concentrations to ensure ideal measurement of rHCS activity and its kinetics. Additionally, we demonstrated that this assay is sensitive enough to detect biotinylation of p67 by endogenous HCS from Jurkat lymphoid cells.

A mutation in the SUV39H2 gene in Labrador Retrievers with hereditary nasal parakeratosis (HNPK) provides insights into the epigenetics of keratinocyte differentiation.

Hereditary nasal parakeratosis (HNPK), an inherited monogenic autosomal recessive skin disorder, leads to crusts and fissures on the nasal planum of Labrador Retrievers. We performed a genome-wide association study (GWAS) using 13 HNPK cases and 23 controls. We obtained a single strong association signal on chromosome 2 (p(raw) = 4.4×10⁻¹⁴). The analysis of shared haplotypes among the 13 cases defined a critical interval of 1.6 Mb with 25 predicted genes. We re-sequenced the genome of one case at 38× coverage and detected 3 non-synonymous variants in the critical interval with respect to the reference genome assembly. We genotyped these variants in larger cohorts of dogs and only one was perfectly associated with the HNPK phenotype in a cohort of more than 500 dogs. This candidate causative variant is a missense variant in the SUV39H2 gene encoding a histone 3 lysine 9 (H3K9) methyltransferase, which mediates chromatin silencing. The variant c.972T>G is predicted to change an evolutionary conserved asparagine into a lysine in the catalytically active domain of the enzyme (p.N324K). We further studied the histopathological alterations in the epidermis in vivo. Our data suggest that the HNPK phenotype is not caused by hyperproliferation, but rather delayed terminal differentiation of keratinocytes. Thus, our data provide evidence that SUV39H2 is involved in the epigenetic regulation of keratinocyte differentiation ensuring proper stratification and tight sealing of the mammalian epidermis.