Methylation of histone 3 (H3) at lysine 36 (K36) has been implicated in several biological processes, such as DNA replication, DNA repair, and transcription. To date, at least eight distinct mammalian enzymes have been described to methylate H3K36 in vitro and/or in vivo. In this work, Set2, Nsd1, and Nsd3 Venus tagged proteins were successfully expressed in mouse embryonic stem cells and, then, analyzed by confocal microscopy, mass spectrometry (MS), and chromatin immunoprecipitation sequencing (ChIP-seq). MS analysis revealed that Setd2, Nsd1, and Nsd3 do not associate in protein complexes with each other. Setd2 was associated with RNA polymerase II subunits and two transcription elongation factors (Supt5 and Supt6), whereas Nsd1 associated with the transcription factor Zfx. In contrast, Nsd3 interacted with multiple protein complexes including Kdm1b and Brd4 complexes. Interestingly, Nsd1 and Zfx seem to be bound to chromatin during cell division. ChIP-seq analysis of the H3K36 methyltransferases showed different binding profiles at transcribed genes: Nsd1 binds near the transcription start site (TSS), Setd2 loading starts near the TSS and spreads along the gene body, while, Nsd3 is preferentially enriched at the 5’ and 3’ gene regions. Sequential deletion of PWWP and zinger-finger like domains was achieved to study any possible changes in Nsd1 and Nsd3 function. Deletion of either PHD1-4 or PHD5/C5HCH domains decreased Nsd1 recruitment to chromatin. Particularly, the PHD5/C5HCH were identified as the protein-protein interface for Zfx interaction. In agreement, Zfx knockdown also decreased Nsd1 deposition at the Oct4 and Tcl1 promoter regions. Furthermore, Nsd1 depletion reduced bulk histone H3K36me2 and histone H3K36me3 loading at the coding regions of Oct4, Rif1, Brd2, and Ccnd1. In addition, Nsd1 knockdown led to an increased Zfx deposition at promoters. Our findings suggest Zfx recruits Nsd1 to its target loci, whereas Nsd1 regulates Zfx chromatin release and further contributes to transcription regulation through its H3K36 dimethylase activity. On the other hand, loss of Nsd3’s PHD5/C5HCH or PWWP domains decreased Nsd3 binding to DNA. In addition, we demonstrate that Nsd3 is recruited to target genes in a Brd4-dependent manner. Herein, we provided further insights on how H3K36 methyltransferases are regulated, and how they contribute to changes in the epigenetic landscape in mouse embryonic stem cells.fi

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.

Endotoxin-tolerante Zellen zeigen über mehrere Tage eine verminderte Produktion pro-inflammatorischer Zytokine, sodass epigenetische Veränderungen ein Grund für die Endotoxintoleranz sein könnte. Im 1. Teil wurden epigenetische Veränderungen an gezielten LPS-tolerisierbaren Genen mithilfe eines in-vitro-Modells mit humanen Monozyten untersucht. Die Gene kodierend für TNF und CXCL10 zeigten eine Reduktion der transkriptionsaktivierenden Histonmarker H3K27ac und H4ac, die durch eine stark reduzierte Genexpression in toleranten Monozyten begleitet wurde. Demgegenüber wiesen Gene wie IL6 und IL1B eine Zunahme an H4ac und H3K27ac auf, während ihre Genexpression in widersprüchlicher Weise reduziert war. Repressive epigenetische Marker (H3K9me2, H3K27me3, H4K20me3, DNA-Methylierung) konnten in den untersuchten Genen nicht nachgewiesen werden. Zudem war die IL6-Genexpression verstärkt abhängig von der Signaltransduktion toleranter Monozyten, was auf unterschiedliche Repressionsmechanismen schließen lässt. Im 2. Teil konnte gezeigt werden, dass die genomweite transkriptionelle Reprogrammierung durch eine globale Verschiebung von aktiven H3K27ac und H4ac in naiven Monozyten zu repressiven H3K9me2, H3K27me3 und H4K20me3 in toleranten, restimulierten Zellen einherging. Mehr als 10000 Genombereiche wiesen Veränderungen an Histonmarkern auf, obwohl nur 3638 Gene unterschiedlich exprimiert waren. Circa 27% der differentiell exprimierten Gene zeigten ein Expressionsmuster, welches mit Veränderungen an aktiven und/oder repressiven Markern innerhalb der Promoterregion korrelierte. Zudem zeigten intergenische Regionen einen verstärkten Anstieg an repressiven Histonmarkern, was auf eine mögliche regulatorische Funktion dieser Bereiche in der Endotoxintoleranz schließen lässt. Die Studie zeigt, dass die Epigenetik der Monozyten stark von der Endotoxintoleranzinduktion betroffen ist, wenn auch nicht alle Veränderungen dem beobachteten Genexpressionsmuster zugeordnet werden konnten. / Endotoxin-tolerant cells show a reduced ability to produce pro-inflammatory cytokines for several days, which assumes an impact of epigenetic changes in endotoxin tolerance induction. Using an in vitro model with human monocytes, the first part focused on the analysis of epigenetic changes in specific LPS-tolerizable genes. The genes encoding for TNF and CXCL10 showed a reduction in the transcription-activating histone marks H3K27ac and H4ac in tolerant monocytes, which was accompanied by a strongly reduced gene expression. In contrast, the IL6 and IL1B genes showed an increase in activating histone modifications, while their gene expressions were moderately reduced. Repressive epigenetic marks (H3K9me2, H3K27me3, H4K20me3, DNA methylation) were not specifically enhanced in the genes studied. Particularly the IL6 gene expression was more susceptible to the signaling strength in tolerant monocytes implying distinct mechanisms in the repression of the genes analyzed. Within the second part, genome-wide reprogramming of tolerant monocytes was accompanied by a global shift from activating H3K27ac and H4ac in naive monocytes to repressive H3K9me2, H3K27me3 and H4K20me3 in tolerant cells treated with LPS. More than 10000 genomic regions were distinctly regulated by histone marks, though only 3638 genes were differentially expressed. Correlation analyses identified 27 % of the differentially expressed genes that showed a transcriptional level consistent with changes in activating and/or repressive histone marks within their promoter regions. Intergenic regions were highly enriched for repressive histone marks in LPS-tolerant monocytes implying a regulatory function in endotoxin tolerance. The data indicate that the epigenetic environment of monocytes is highly affected by endotoxin tolerance induction, though not all changes are directly linked to the gene expression pattern observed.

Die DNA Methyltransferasen sind verantwortlich für die spezifische Methylierung von DNA-Basen. Mehrere DNA Methyltransferasen sind bekannt, wobei die Dnmt1 das hauptsächlich vorkommende Enzym ist. Bei Säugetieren korreliert die DNA-Methylierung mit der Genaktivität und ist essentiell für die Embryonalentwicklung. Eine beeinträchtigte Funktion oder Verfügbarkeit des Enzyms kann zu pathologisch veränderten Zuständen führen. Die Regulation der Dnmt1 und die damit verbundene Bedeutung bei der Entstehung von Krankheiten ist bisher nur unvollständig untersucht. In der Frühphase der Embryonalentwicklung von Säugetieren ändert sich das Methylierungsmuster des Genoms dramatisch. In zeitlich aufeinander folgenden Phasen wird die DNA demethyliert (Verlust der Methylgruppen) und neu methyliert (De-Novo Methylierung). Die Hypothese dieser Arbeit ist, dass verschiedene Isoformen der Dnmt1 in spezifischen Entwicklungsstadien exprimiert werden und zu Veränderungen des Methylierungsmusters der DNA beitragen. Um diese Regulation zu untersuchen, wurde die Struktur der Maus Dnmt1-Gens bestimmt. Außerdem wurde in verschiedenen Gewebetypen die Transkriptionsgröße und die Transkriptionsintensität der mRNA mit Hilfe von Northern-Blots quantifiziert. Mit diesen Experimenten konnte im Hoden- und Skelettmuskelgewebe ein längeres Dnmt1-Transkript als in anderen Geweben identifiziert werden. Dieses neue Dnmt1-Transkript wurde mit Hilfe von RT-PCR und RACE-Techniken kloniert und ist in beiden Geweben identisch. Es unterscheidet sich auf DNA-Ebene in der Sequenz des 5'-Endes von der bisher bekannten Form der Dnmt1 und besitzt einen anderen Startpunkt für die Transkription. Darüber hinaus besitzt das neue Dnmt1-Transkript ein 800 Basenpaar großes erstes Exon, welches sich von dem des bekannten Dnmt1-Transkripts unterscheidet. Die spezifische zelluläre Lokalisation des neuen Transkripts wurde mit Hilfe der In-Situ-Hybridisierung analysiert. Mit dieser Technik wurde das alternative Transkript in stärker spezialisierten, haploiden spermatogenen Zellen (Spermatiden) und zu einem geringen Maß im Skelettmuskel nachgewiesen. Während der Differenzierung von Muskelzellen wurde eine verminderte Expression des bereits bekannten mRNA-Transkripts und eine verstärkte Expression des neu identifizierten mRNA-Transkripts festgestellt. Obwohl die mRNA der alternativen Isoform verschiedene, kurze offene Leserahmen enthält, welche die Translation eines spezifischen Dnmt1 Proteins verhindern könnten, wurde durch Immunofluoreszenz- und Western-Blot Analysen ein Translationsprodukt nachgewiesen. Nach den hier aufgezeigten Ergebnissen werden alternative Dnmt1 Isoformen in vivo exprimiert, welche eine aktive Rolle bei der Regulation der DNA-Methylierung spielen könnten. / DNA methyltransferases (DNA MTases) are enzymes responsible for DNA methylation (transfer of methyl groups to a base in the DNA) and are vital for the development of mammals. Several MTases have been identified in eukaryotes but the most abundant is Dnmt1. Furthermore, many pathological conditions are often attributed to an altered availability or function of this enzyme, however the understanding of the regulation of Dnmt1 and the concomitant relationship to diseases is far from being complete. In mammals the methylation of DNA correlates with gene activity, and methylation patterns change dramatically during early development when the genome of the mammalian embryo undergoes consecutive waves of demethylation (loss of methylation) and de novo methylation (methylation of DNA sites that have not been previously methylated). The hypothesis of this study was that alternative Dnmt1 isoforms are expressed at specific developmental stages and thus contribute to changes in the DNA methylation pattern. To study this regulation the structure of the Dnmt1 gene was determined. In this work, the tissue distribution and abundance of Dnmt1 mRNA was analyzed by Northern blot and a new, longer transcript was identified that is present in testis and skeletal muscle tissue. The novel isoform was cloned by a combination of RT-PCR and RACE techniques and found to be identical in both tissues. This new isoform differs from the ubiquitous cDNA in the 5' end, utilizing a new transcriptional start site and an 800 bp long alternative first exon. The cellular localization of this new transcript was determined by in situ hybridization and found to be present in the more specialized haploid spermatogenic cells, spermatids and at lower level in skeletal muscle. During muscle differentiation, the ubiquitous isoform is downregulated while the alternative isoform is upregulated. Although this mRNA codes for several short upstream ORFs which could prevent translation of the Dnmt1-specific ORF, it was found by immunofluorescence and Western blot analyses that this transcript can be translated in vivo producing a shorter Dnmt1 protein. The results shown here indicate that alternative Dnmt1 isoforms are expressed in vivo and might play an active role in the regulation of DNA methylation.

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.

DNA Methylierung ist ein zentraler epigenetischer Prozess, welcher entscheidend an der Organisation von Genregulation beteiligt ist. Dieser Vorgang ist wichtig für die Funktion sowohl von embryonalen als auch von Gewebs-Stammzellen. Krebszellen weisen häufig veränderte DNA Methylierungsmuster auf, was auf eine ähnlich wesentliche Rolle der DNA Methylierung in Krebsstammzellen (KSZ) hindeutet. Diese These wurde hier mit Hilfe eines Mausmodells mit verringerter Expression der DNA Methyltransferase Dnmt1 anhand verschiedener Leukämiemodelle untersucht. In einem bi-linearen B-lymphatischen/myeloischen Leukämiemodell konnte gezeigt werden, dass hypomethylierte leukämieinitiierende (Stamm-)zellen (LSZ) myeloische Krebszellen hervorbringen, allerdings nicht zur Bildung von B-lymphatischen Leukämiezellen befähigt sind. Darüber hinaus konnte in einem T-Zell-spezifischen Leukämiemodell gezeigt werden, dass reduzierte Dnmt1 Expression nicht mit der Bildung von T-Zelllymphomen vereinbar ist. Detaillierte Analysen eines myeloischen Leukämiemodells ergaben, dass hypomethylierte LSZs ein vermindertes Selbsterneuerungspotenzial aufweisen. Im Gegensatz zu den starken Funktionseinschränkungen hypomethylierter LSZs, hatten hypomethylierte Knochenmarks-Stromazellen keinen Effekt auf die Entwicklung von Leukämien. Außerdem führte die Behandlung leukämischer Zellen mit demethylierenden Agenzien zu einer teilweisen Aufhebung methylierungsvermittelter Genrepression. Die dadurch verstärkte Expression von Differenzierungsfaktoren verminderte das Leukämiewachstum, was einen möglichen Erklärungsansatz für das eingeschränkte Potenzial hypomethylierter Leukämien darstellt. Diese Ergebnisse demonstrieren eine zentrale Rolle der DNA Methylierung für die Selbsterneuerung und Linienwahl von LSZs, und erlauben somit neue Einblicke in die epigenetische Regulation von KSZs. Diese Erkenntnisse implizieren, dass KSZs möglicherweise ein geeignetes Ziel für epigenetische Therapieansätze darstellen. / DNA methylation is one of the major epigenetic processes which is crucially involved in orchestrating gene regulation primarily by repression of gene expression. DNA methylation plays an important role in controlling functional programs of embryonic and tissue stem cells. As altered DNA methylation patterns are a hallmark of cancer, we hypothesized that DNA methylation might be equally important for cell fate determinations of cancer stem/initiating cells (CSC). To test this, I analyzed a genetic knockdown mouse model of the main somatic DNA methyltransferase Dnmt1 in the context of three different leukemia models. In a bilinear B-lymphoid/myeloid leukemia model hypomethylated bi-potential leukemia stem/initiating cells (LSCs) were shown to be capable of forming a myeloid leukemia, whereas the generation of B-lymphoid blasts was almost entirely abrogated. Moreover, failure of hypomethylated cells to develop T-cell lymphomas in a Notch1-based leukemia model demonstrated their profound lack of T-lineage commitment capacities. Furthermore, detailed analyses of a myeloid leukemia model revealed a severely impaired self-renewal potential in LSCs with reduced Dnmt1 expression. However, contrasting the drastic cell-intrinsic impairments of LSC function by reduced DNA methylation, leukemia development was found to be unaffected by hypomethylated bone marrow stroma. Mechanistically, treatment of cell lines with a demethylating drug led to enhanced expression of differentiation factors due to loss of methylation mediated gene silencing. This was followed by inhibition of leukemia cell growth, thus providing a potential mechanism for impaired functions of hypomethylated leukemias. Collectively, this thesis revealed a critical role for DNA methylation levels in malignant self-renewal and lineage fate choices. These new insights into epigenetic regulation of CSCs suggest that epigenetic therapy displays a potential treatment concept specifically targeting CSCs.

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Angesichts der nach wie vor hohen Mortalität und Morbidität des Bronchialkarzinoms ist die Entwicklung geeigneter Methoden zur früheren Diagnostik eine wichtige Notwendigkeit, um die geringe durchschnittliche 5-Jahres-Überlebensrate von 15% – 18% zu steigern. Unter diesem Gesichtspunkt wurde in der vorliegenden Arbeit das Atemkondensat von Patienten mit Bronchialkarzinom als nicht-invasiv und kostengünstig zu gewinnendes Medium auf das Vorliegen eines potentiellen Screeningmarkers – dem methylierten Tumorsuppressor-Gen p16 – untersucht. Dazu wurde ein Versuchsablauf entwickelt, bei dem trotz des geringen DNA-Gehaltes im Atemkondensat p16-Methylierungen nachgewiesen werden konnten. Die letztendlich etablierte Methode war eine methylierungsspezifische nested-PCR mit anschließendem Restriktionsverdau durch das Restriktionsenzym BstUI. Des Weiteren erfolgte die Untersuchung von in Paraffin eingebetteten Tumorpräparaten der Patienten. In der anschließenden statistischen Auswertung wurde der Einfluss von verschiedenen Faktoren wie COPD-Grad, Tumorlage, Tumorart, Nikotinabusus und stattgehabte Chemo- oder Strahlentherapie auf den Methylierungsstatus des p16-Gens analysiert.