Murine embryonale Stammzellen (ES-Zellen) stellen mit ihrem Selbsterneuerungs- und Differenzierungspotenzial einen einzigartigen Zelltyp für die Grundlagenforschung und angewandte Wissenschaften dar. Auf Grund ihrer Fähigkeit, in vitro die embryonale Entwicklung eines Organismus nachzuahmen, sind sie für die Untersuchung der Zell-Differenzierung, wie z.B. der embryonalen Hämatopoese geeignet. Während der ES-Zell-Selbsterneuerung und -Differenzierung spielen epigenetischen Modifikationen, unter anderem Histon-Methylierungen, eine wichtige Rolle. Transkriptionell aktivierende (H3K4me2/3, di- bzw. trimethyliertes Lysin 4 an Histon 3) und reprimierende (H3K27me2/3; di- bzw. trimethyliertes Lysin 27 an Histon 3) Histon-Methylierungs-Muster und die epigenetische Gen-Regulierung werden unter anderem durch die entgegenwirkenden PcG- und MLL-Protein-Komplexe koordiniert. Die H3K27me2/3-spezifische Demethylase UTX/KDM6A ist eine Komponente des MLL-Komplexes und somit an aktivierenden Gen-Regulationsmechanismen beteiligt. Im Rahmen dieser Arbeit war es mein Ziel zu untersuchen, inwieweit UTX für die Aufrechterhaltung der ES-Zell-Pluripotenz und für die ES-Zell-Differenzierung, insbesondere die hämatopoetische Differenzierung, von Bedeutung ist. Meine Daten zeigten, dass UTX in undifferenzierten ES-Zellen, während der ES-Zell-Differenzierung und in adulten Geweben ubiquitär exprimiert ist. Um Aufschluss über die UTX-Funktion zu bekommen, wurde UTX in ES-Zellen mittels RNA-Interferenz und Gene-Targeting gezielt ablatiert. Genexpressions-Analysen zeigten, dass die Expression von Pluripotenzgenen, genauso wie die Zellproliferation und die Verteilung der Zellzyklus-Phasen in ES-Zellen durch den Verlust von UTX unbeeinflusst blieben, während globale H3K4me3- sowie H3K27me3-Level reduziert waren. Während der ES-Zell-Differenzierung konnte ich eine verminderte Induktion der mesodermalen und hämatopoetischen Marker Flk1, Brachyury, Runx1 und Gata1 beobachten. Zudem war die Expression von UTY, dem auf dem Y-Chromosom kodierten UTX-Homolog, in ES-Zellen und während der Differenzierung runterreguliert, was auf eine Regulierung durch UTX schließen lässt. Des Weiteren zeigten UTX-Knockdown und –Knockout-Zellen in funktionellen hämatopoetischen in vitro Assays eine verminderte Fähigkeit, Blast-Kolonien und hämatopoetische Vorläuferzellen zu generieren. Interessanterweise zeigten ChIP-Analysen in differenzierenden wt und UTX-Knockout-EBs unveränderte H3K27me3-Level an Promotoren der hämatopoetischen Gene, was auf eine Demethylase-unabhängige Funktion von UTX während der frühen Hämatopoese hindeutet. Um die Funktion von UTX während der Entwicklung in vivo, insbesondere während der embryonalen Hämatopoese, untersuchen zu können, habe ich eine konditionelle UTX-Knockout-Maus hergestellt, die für eine gezielte UTX-Deletion im hämatopoetischen System verwendet wird. Zusammenfassend zeigen meine Daten, dass UTX für die ES-Zell-Proliferation und –Pluripotenz unbedeutend ist und die Reduzierung der H3K27-Trimethylierung auch bei fehlendem UTX weiterhin herbeigeführt werden kann. Im Gegensatz dazu übernimmt UTX eine entscheidende Rolle während der mesodermalen und hämatopoetischen ES-Zell-Differenzierung, vermutlich über eine Histon-Demethylase-unabhängige Funktion. / Mouse embryonic stem cells (ESCs) through their potential to self-renew and to differentiate provide a unique cell type for basic and applied research. Due to their ability to mimic the embryonic development of an organism in vitro, they are suitable for the study of cellular differentiation such as embryonic hematopoiesis. ESC self-renewal and differentiation are associated with epigenetic modifications, including histone methylation. The opposing PcG and MLL protein complexes coordinate transcriptionally repressing (H3K27me2/3, di- and trimethylated histone 3 at lysine 27) and activating (H3K4me2/3; di- and trimethylated histone 3 at lysine 4) histone methylation patterns respectively, and epigenetic gene regulation. The H3K27me2/3-specific demethylase UTX/KDM6A is a component of the MLL complex and thus involved in transcriptional activation of gene expression. Within the scope of my thesis, I aimed to analyze to what extent UTX contributes to the maintenance of ESC pluripotency and differentiation, in particular to the hematopoietic differentiation. My data showed that UTX is ubiquitously expressed in undifferentiated ESCs, during ESC differentiation and in adult tissue. In order to study the UTX specific function, I specifically down-regulated UTX in ESCs via RNA interference and gene targeting. Gene expression profiling of ESCs showed that the expression of pluripotency genes, as well as cell proliferation and cell cycle phase distribution remained unaffected by the loss of UTX. However, global H3K4me3 and H3K27me3 levels were reduced. I observed a decreased induction of the mesodermal and hematopoietic genes Flk1, Brachyury, Runx1 and Gata1 in differentiating ESCs. Furthermore, the expression of UTY, the homologue of UTX encoded on the Y chromosome, was down- regulated in ESCs and in EBs, suggesting a regulatory function of UTX. In addition, using functional hematopoietic in vitro assays, UTX knockdown and knockout cells showed reduced blast colony formation and decreased differentiation of hematopoietic progenitor cells. Interestingly, ChIP analysis of wt and UTX KO EBs revealed comparable enrichment of H3K27me3 at the promoters of the hematopoietic genes, suggesting a demethylase independent role for UTX during early hematopoiesis. In order to investigate the role of UTX during development in vivo, particularly during embryonic hematopoiesis, I generated a conditional UTX knockout mouse, which will be used for a specific deletion of UTX in the hematopoietic system. In conclusion, my data revealed that UTX is insignificant for ESC proliferation and pluripotency and that the loss of H3K27 trimethylation is induced even in the absence of UTX. Furthermore, the data reported in this work suggest that UTX is required for mesodermal and hematopoietic ESC differentiation, presumably via a histone demethylase independent function.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:10805 |
| Date | January 2014 |
| Creators | Kampka, Justyna |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | deu |
| Detected Language | English |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/de/deed.de, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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