Molecular mechanisms by which p53/LSD1 and ERalpha/Trim24 complexes mediate gene regulation

In this dissertation, I identify two molecular mechanisms by which transcription factors cooperate with their co-regulators to mediate gene regulation. In the first part, I demonstrate that p53 directly recruits LSD1, a histone demethylase, to AFP chromatin to demethylate methylated H3K4 and actively mediate transcription repression. Loss of p53 and LSD1 interaction at chromatin leads to derepression of AFP in hepatic cells. In the second part, I reveal that Trim24 functions as an important co-activator in ERα-mediated gene activation in response to estrogen stimulation. Trim24 is recruited by ligand-bound ERα to chromatin and stabilizes ERα-chromatin interactions by binding to histone H3 via its PHD finger, which preferentially recognizes unmethylated H3K4. ^

The Arabidopsis RNA-binding protein FCA requires a lysine-specific demethylase 1 homolog to downregulate FLC.

A repressor of the transition to flowering in Arabidopsis is the MADS box protein FLOWERING LOCUS C (FLC). FCA, an RNA-binding protein, and FY, a homolog of the yeast RNA 3' processing factor Pfs2p, downregulate FLC expression and therefore promote flowering. FCA/FY physically interact and alter polyadenylation/3' processing to negatively autoregulate FCA. Here, we show that FCA requires FLOWERING LOCUS D (FLD), a homolog of the human lysine-specific demethylase 1 (LSD1) for FLC downregulation. FCA also partially depends on DICER-LIKE 3, involved in chromatin silencing. fca mutations increased levels of unspliced sense FLC transcript, altered processing of antisense FLC transcripts, and increased H3K4 dimethylation in the central region of FLC. These data support a close association of FCA and FLD in mediating H3K4 demethylation and thus transcriptional silencing of FLC and reveal roles for antisense RNA processing and DCL3 function in this regulation.

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.

Biologische Charakterisierung von LC-FACS-Proteinen in Dictyostelium discoideum

Die Endozytose und die anschließende Verwertung der aufgenommenen Substanzen ist Gegenstand zahlreicher Untersuchungen. Dabei wird ein besonderes Augenmerk auf die Proteine gelegt, die an diesen Vorgängen beteiligt sind. In der hier vorliegenden Arbeit wird der Lipid-Status der Zelle und Enzyme des Lipid-Stoffwechsels berücksichtigt. Das Ausschalten einer Long Chain-Fatty Acyl CoA Synthetase 1 (LC-FACS), fcsB, in Dictyostelium discoideum hat eine Veränderung der Menge an neutralen Lipiden zur Folge. In diesen LC-FACS2 „Knock-Out“-Zellen wird ein Zusammenhang zwischen neutralen Lipiden und der Phagozytose von Hefen und Bakterien detektiert. Ein Einfluss auf den endozytotischen Transit kann in diesen Zellen nur induziert werden, wenn man zusätzlich den Triglycerid-Hydrolyse-Inhibitor LSD1 in den Zellen exprimiert. Mit Hilfe der Daten wird ein Modell erstellt, indem die Reduktion der Menge an neutralen Lipiden nicht direkt für diesen Phänotyp verantwortlich ist. Es ist vielmehr das Energie-Niveau der Zellen, das die Phagozytoserate beeinflusst. Möglich macht dies ein Pool aus Fettsäuren im Zytoplasma. Dieser besteht aus unaktivierten Fettsäuren und Acyl-CoAs. Auf ihn greifen Kompartimente wie Lipidtropfen, Mitochondrien und Peroxisomen zu, wenn Fettsäuren verstoffwechselt werden sollen. In LC-FACS2 „Knock-Out“-Zellen, wird das Gleichgewicht im Pool in Richtung der unaktivierten Fettsäuren verschoben. Anhand der Größe dieses Pools kann die Zelle ihren Energiestatus messen. Ein höherer Energie-Status führt dann zu einer Reduktion der Phagozytoserate. Vacuolin B Null Zellen (vacB-) zeigen eine extreme Verzögerung im endozytotischen Transit. Schaltet man in diesen Zellen die LC-FACS1 aus (vacB-/fcsA-), so reduziert man ebenfalls die Menge an Triglyceriden. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der Acyl-CoA Anteil des Fettsäure-Pools reduziert ist. Diese Reduktion resultiert hier in einer Beschleunigung des endozytotischen Transits. Die Exozytose von vacB--Zellen und vacB-/ fcsA--Zellen unterscheidet sich nicht. Daher wird die Ursache für diese Beschleunigung in veränderten Fusions- bzw. Fissionseigenschaften der Endosomen vermutet. Somit führt das Ausschalten von LC-FACS-Proteinen in Dictyostelium zu einer veränderten Zusammensetzung des Fettsäure-Pools. Dies hat im Fall der LC-FACS1 Modifikationen der Membran-Dynamik und im Fall der LC-FACS2 Änderungen des Energie-Spiegels zur Folge.

Lipid Droplets in Dictyostelium discoideum

Lipid Droplets dienen zur Speicherung von Neutrallipiden wie z. B. Triglyceriden und Sterolestern. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wurde die Bildung dieser zellulären Fettspeicher in D. discoideum untersucht. Es konnte herausgefunden werden, dass Lipid Droplets entstehen, wenn die Zellen entweder in einer Suspension von Bakterien oder in Gegenwart von Palmitinsäure kultiviert werden. Die Bildung der Lipidtröpfchen wird dabei von einem schnelleren Zellwachstum, einem Anstieg des Triglyceridgehalts, einer Reduktion der Phagozytoserate und einer Abnahme des Zellvolumens begleitet. Wurde die Lipid Droplet-Bildung durch Kultivierung der Zellen mit Palmitinsäure angeregt, entsteht neben Triglyceriden noch eine weitere Verbindung, bei der es sich entweder um Fettsäureethylester oder Wachsester handelt. Eine weitere Eigenschaft von Zellen, die in Gegenwart der Palmitinsäure inkubiert wurden, ist die Fähigkeit exogene Fettsäuren schneller aufzunehmen, als normal kultivierte Zellen. Aus der vorliegenden Arbeit wurde gefolgert, dass dies durch eine zusätzliche Aufnahme der Fettsäuren über die Plasmamembran hervorgerufen wird. In Zellen, die ohne Fettsäuren inkubiert wurden, findet hingegen der Fettsäureimport über die Endosomen statt. Ein Protein, das nicht direkt am Prozess der Fettsäureaufnahme beteiligt ist, aber importierte Fettsäuren mit CoA aktiviert, ist die LC-FACS1. Aus Versuchen mit der Knockout-Mutante ging hervor, dass die aktivierten Fettsäuren, in Zellen, die zuvor mit Palmitinsäure oder Bakterien inkubiert wurden, in Triglyceride eingebaut werden. Der reduzierte Triglyceridgehalt im Knockout rief eine Erhöhung der Phagozytoserate hervor. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden die Lipidtröpfchen mit einem Saccharosegradienten aufgereinigt. Mit Hilfe der Massenspektrometrie konnten 281 Proteine in der Lipid Droplet-Fraktion identifiziert werden. Ein Teil dieser Proteine könnte durch die Interaktion der Lipidtröpfchen mit anderen Organellen in die Lipid Droplet-Fraktion gelangt sein und ist ebenso wenig Teil des Lipid Droplet-Proteoms wie die zytoplasmatischen Proteine, die eine Verunreinigung darstellen. Vier der zehn Proteine aus der Lipid Droplet-Fraktion, die in der vorliegenden Arbeit untersucht wurden, konnten nach Kultivierung in palmitinsäurehaltigem Medium tatsächlich auf der Oberfläche der Lipidtröpfchen beobachtet werden. Eines dieser Proteine ist LSD1. Es stellt das einzige PAT-Protein in D. discoideum dar und gehört der Kategorie der CPATs an. Analog zu Perilipin/PLIN1 und Adipophilin/PLIN2 könnte LSD1 eine Schutzfunktion der Lipid Droplets vor zytoplasmatischen Lipasen haben. Neben DdLSD1 konnten auch die Proteine ADH und ALI auf den Lipidtröpfchen lokalisiert werden. Bei beiden handelt es sich um 17beta-Hydroxysteroid-Dehydrogenasen - Proteine, die eine Funktion im Lipid- oder Fettsäuremetabolismus besitzen können. Das Protein SMT katalysiert die C24-Methylierung des Sterolgerüsts in D. discoideum und war nach Inkubation der Zellen mit exogenen Fettsäuren ebenfalls auf den Lipid Droplets zu beobachten.

Epigenetic role of N-Myc in Neuroblastoma

Childhood neuroblastoma is the most common solid tumour of infancy and highly refractory to therapy. One of the most powerful prognostic indicators for this disease is the N-Myc gene amplification, which occurs in approximately 25% of all neuroblastomas. N-Myc is a member of transcription factors belonging to a subclass of the larger group of proteins sharing Basic-Region/Helix–Loop–Helix/Leucin-Zipper (BR/HLH/LZ) motif. N-Myc oncoproteins may determine activation or repression of several genes thanks to different protein-protein interactions that may modulate its transcriptional regulatory ability and therefore its potential for oncogenicity. Chromatin modifications, including histone methylation, have a crucial role in transcription de-regulation of many cancer-related genes. Here, it was investigated whether N-Myc can functionally and/or physically interact with two different factors involved in methyl histone modification: WDR5 (core member of the MLL/Set1 methyltransferase complex) and the de- methylase LSD1. Co-IP assays have demonstrated the presence of both N-Myc-WDR5 and N-Myc-LSD1 complexes in two neuroblastoma cell lines. Human N-Myc amplified cell lines were used as a model system to investigate on transcription activation and/or repression mechanisms carried out by N-Myc-LSD1 and N-Myc-WDR5 protein complexes. qRT-PCR and immunoblot assays underlined the ability of both complexes to positively (N-Myc-WDR5) and negatively (N-Myc-LSD1) influence transcriptional regulation of crititical neuroblastoma N-Myc-related genes, MDM2, p21 and Clusterin. Ch-IP experiments have revealed the binding of the N-Myc complexes above mentioned to the gene promoters analysed. Finally, pharmacological treatment pointed to abolish N-Myc and LSD1 activity were performed to test cellular alterations, such as cell viability and cell cycle progression. Overall, the results presented in this work suggest that N-Myc can interact with two distinct histone methyl modifiers to positively and negatively affect gene transcription in neuroblastoma.

TRIM24-REGULATED ESTROGEN RESPONSE IS DEPENDENT ON SPECIFIC HISTONE MODIFICATIONS IN BREAST CANCER CELLS

In this dissertation, I discovered that function of TRIM24 as a co-activator of ERα-mediated transcriptional activation is dependent on specific histone modifications in tumorigenic human breast cancer-derived MCF7 cells. In the first part, I proved that TRIM24-PHD finger domain, which recognizes unmethylated histone H3 lysine K4 (H3K4me0), is critical for ERα-regulated transcription. Therefore, when LSD1-mediated demethylation of H3K4 is inhibited, activation of TRIM24-regulated ERα target genes is greatly impaired. Importantly, I demonstrated that TRIM24 and LSD1 are cyclically recruited to estrogen responsive elements (EREs) in a time-dependent manner upon estrogen induction, and depletion of their expression exert corresponding time-dependent effect on target gene activation. I also identified that phosphorylation of histone H3 threonine T6 disrupts TRIM24 from binding to the chromatin and from activating ERα-regulated targets. In the second part, I revealed that TRIM24 depletion has additive effect to LSD1 inhibitor- and Tamoxifen-mediated reduction in survival and proliferation in breast cancer cells.

Epigenetic engineering shows H3K4me2 is required for HJURP targeting and CENP-A assembly on a synthetic human kinetochore

Kinetochores assemble on distinct 'centrochromatin' containing the histone H3 variant CENP-A and interspersed nucleosomes dimethylated on H3K4 (H3K4me2). Little is known about how the chromatin environment at active centromeres governs centromeric structure and function. Here, we report that centrochromatin resembles K4-K36 domains found in the body of some actively transcribed housekeeping genes. By tethering the lysine-specific demethylase 1 (LSD1), we specifically depleted H3K4me2, a modification thought to have a role in transcriptional memory, from the kinetochore of a synthetic human artificial chromosome (HAC). H3K4me2 depletion caused kinetochores to suffer a rapid loss of transcription of the underlying α-satellite DNA and to no longer efficiently recruit HJURP, the CENP-A chaperone. Kinetochores depleted of H3K4me2 remained functional in the short term, but were defective in incorporation of CENP-A, and were gradually inactivated. Our data provide a functional link between the centromeric chromatin, α-satellite transcription, maintenance of CENP-A levels and kinetochore stability.

Investigating the Effect of Histone H4 Sumoylation on Chromatin Structure and Function

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-06