University, Diss., 2006--Frankfurt (Main). / Zsfassung in engl. und dt. Sprache.

DNS-Methylierung ist ein zentraler epigenetischer Prozess, der essentiell für die Differenzierung embryonaler Stammzellen ist, über dessen Funktion in somatischen Zellen allerdings wenig bekannt ist. In der vorliegenden Doktorarbeit wurden zwei Mausmodelle analysiert, um die Rolle der durch DNS Methyltransferase 1 (DNMT1) hergestellten DNS-Methylierung im adulten hämatopoetischen System zu untersuchen. Als erstes wurde ein „Knockout“-Modell gewählt, um DNMT1 im hämatopoetischen System zu eliminieren. Des Weiteren wurde eine Mausmutante mit reduzierter DNMT1 Expression analysiert. Die vollständige Entfernung von DNMT1 aus dem hämatopoetischen System adulter Mäuse resultierte in Zytopenie und Anämie, gefolgt vom raschen Tod aller Tiere. Die Analyse des Knochenmarks dieser Mäuse zeigte einen fast vollständigen Verlust von hämatopoetischen Stamm- sowie Vorläuferzellen. Dies zeigt, dass die durch DNMT1 erzeugte DNS-Methylierung essentiell für Homöostase und Differenzierung von hämatopoetischen Stammzellen ist. Mäuse mit reduzierter DNMT1 Expression hingegen sind lebensfähig und zeigen einen niedrigen Grad an DNS-Methylierung in verschiedensten Geweben, einschließlich des hämatopoetischen Systems. Durch eine detaillierte phänotypische und funktionelle Analyse der hämatopoetischen Stammzellen zeigte sich, dass der veränderte DNS-Methylierungsgrad ein vermindertes Selbsterneuerungspotenzial zur Folge hat. Interessanterweise fehlen DNMT1 hypomorphen Mäusen lymphoide Vorläuferzellen sowie reife lymphoide Zellen, wohingegen myeloide und erythroide Zellpopulationen keine Veränderungen zeigten. Genomweite Expressionsanalysen von Stammzellen sowie myeloiden Vorläuferzellen zeigten, dass hypomethylierte Stammzellen eine verfrühte myeloerythroide Entwicklung vollziehen und liefern damit eine Erklärung für den Verlust des Selbsterneurungspotenzials und der lymphoiden Entwicklung. Diese Resultate identifizieren eine bis hierhin unbekannte Funktion von spezifischen DNS-Methylierungsgraden für die Steuerung von funktionellen Programmen wie Selbsterneuerung und Differenzierung in hämatopoetischen Stammzellen. / DNA methylation is one of the major epigenetic mechanisms which is known to play a role in embryonic stem cell fate, but its function in somatic stem cells is not well understood. In this thesis two different genetic mouse models were chosen to address the role of DNA methyltransferase 1 (DNMT1) controlled DNA methylation in adult hematopoiesis. First, a conditional knockout approach was used to delete DNMT1 in the adult hematopoietic system. Second, DNMT1 hypomorphic mice with reduced DNMT1 expression were analyzed. Complete DNMT1 deletion in hematopoietic cells led to severe cytopenia and anemia causing rapid lethality of all animals. Bone marrow analysis revealed an almost complete absence of hematopoietic stem and progenitor cells in DNMT1 ablated primary mice as well as in secondary chimeric mice. These results indicated that DNMT1 controlled maintenance of DNA methylation is indispensable for HSCs preservation and differentiation. In contrast to complete DNMT1 deletion, mice with hypomorphic DNMT1 expression were viable, but showed low methylation levels in multiple tissues including the hematopoietic system. Detailed phenotypical and functional analysis of the hypomethylated hematopoietic stem cell (HSCs) compartment revealed an impaired homeostasis and self-renewal capacity. Intriguingly, mutant animals had profoundly reduced lymphoid cell compartments, whereas myeloid and erythroid compartments were unchanged. Expression profiling of stem and myeloid progenitor cells unexpectedly demonstrated that reduced DNA methylation forces the HSC to adopt a myeloid lineage identity. These results, showing the inability of hypomethylated HSCs to maintain an undifferentiated state, provided an explanation for their disturbed capability to self-renew and produce lymphocytes. Taken together, these findings suggest that distinct levels of DNA methylation are required to control different functional programs such as self-renewal and alternative lineage choices in HSCs, thus uncovering a previously unrecognized function for DNMT1 activity.

Bei Säugerkeimzellen, Zygoten und Embryos in frühen Stadien kommt der epigenetischen Neuprogammierung eine außergewöhnlich wichtige Rolle in der Regulation der Genomfunktionen in entscheidenden Entwicklungsstadien zu. Die epigenetische Neuprogrammierung in Keimzellen löscht zuerst die Imprinting-Markierungen und Epi-Mutationen und stellt dann geschlechtsspezifische Markierungen (genomische Prägung) wieder her. Die vorliegende Arbeit bezieht sich auf das Löschen epigenetischer Modifikationen in primordialen Mauskeimzellen (primordial germ cells (PGCs)) zwischen dem 10.5 bis 13.5 Tag nach der Befruchtung. Entgegen früheren Annahmen zeigen unsere Ergebnisse, daß primordiale Mauskeimzellen (PGCs) beim Eintritt in die embryonalen Keimdrüsen noch immer DNS Methylierungsmarker besitzen, die ähnlich dem Marker in somatischen Zellen sind. Kurz nach dem Eintritt in die Keimdrüsen werden die DNS Methylierungsmarker, die in Verbindung mit geprägten und nicht geprägten Genen stehen, gelöscht. Für die Mehrzahl der Gene beginnt die Löschung der Marker in männlichen und weiblichen Embryos gleichzeitig und ist innerhalb eines Entwicklungstages abgeschlossen. Diese Kinetik deutet auf einen aktiven Demethylierungsprozess hin, initiiert durch ein somatisches Signal, ausgehend von der embryonalen Keimdrüse. Der Zeitpunkt der Neuprogrammierung in den primordialen Keimzellen ist entscheidend, da er sicherstellt, daß Keimzellen beiden Geschlechts einen epigenetisch äquivalenten Status erhalten, bevor sie geschlechtsspezifisch ausdifferenzieren und anschließend neu elterlich geprägt werden. Vollständiges Verständnis des Prozesses der Neuprogrammierung der Keimzellen ist nicht nur im Hinblick auf genomisches Imprinting wichtig, sondern auch für die Erforschung von Mechanismen für die Wiederherstellung von omnipotenten Zellen bei Klonierung und Stammzellenerhaltung. / Epigenetic reprogramming in mammalian germ cells, zygote and early embryos, plays a crucial role in regulating genome functions at critical stages of development. Germ line epigenetic reprogramming assures erasure of all the imprinting marks and epi-mutations and establishment of new sex-specific gametic imprints. The presented work focuses on the erasure of epigenetic modifications that occur in mouse primordial germ cells (PGCs) between day 10.5 to 13.5 post coitum (dpc). Contrary to previous assumptions, our results show that as they enter the genital ridge the PGCs still possess DNA methylation marks comparable to those found in somatic cells. Shortly after the entry of PGCs into the gonadal anlagen the DNA methylation marks associated with imprinted and non-imprinted genes are erased. For most genes the erasure commences simultaneously in PGCs of both male and female embryos and is completed within only one day of development. The kinetics of this process indicates that is an active demethylation process initiated by a somatic signal emanating from the stroma of the genital ridge. The timing of reprogramming in PGCs is crucial since it ensures that germ cells of both sexes acquire an equivalent epigenetic state prior to the differentiation of the definitive male and female germ cells in which, new parental imprints are established subsequently. Complete understanding of the germline reprogramming processes is important not only in the light of genomic imprinting but also for resolving other mechanisms connected with restoring cellular totipotency, such as cloning and stem cell derivation.