Cells within multicellular organisms share the same genetic information, yet their shape and function can differ dramatically. This diversity of form and function is established by differential use of the genetic information. Early embryonic development describes the processes that lead to a fully differentiated embryo starting from a single fertilized cell - the zygote. Interestingly, in metazoan species this early development is governed by maternally provided factors (nutrients, RNA, protein), while the zygotic genome is transcriptionally inactive. Only at a specific developmental stage, the zygotic genome becomes transcriptionally active, and zygotic transcripts drive further embryonic development. This major change is called zygotic genome activation (ZGA). While major regulators of activation of early zygotic genes could be identified recently, the molecular mechanisms that contribute to robust global genome activation during embryonic development is not fully understood.
In this study, I investigated whether the establishment of histone H3 lysine 4 trimethylation (H3K4me3) is involved in zebrafish zygotic transcription activation and early embryonic development. H3K4me3 is a chromatin modification that is implicated in transcription regulation. H3K4me3 has been shown to be enriched at Transcription Start Sites (TSS) of genes prior to their activation, and is postulated facilitate transcription activation of developmentally important genes. To interfere with H3K4me3 establishment, I generated histone methyltransferase mutants. I further inhibited H3K4me3 establishment by introduction of histones with lysine 4-to-methionine (K4-to-M) substitution, which act as dominant-negative inhibitors of H3K4me3 establishment. Upon H3K4me3 reduction, I studied the resulting effect on early transcription activation. I found that H3K4me3 is not involved in transcription activation during early zebrafish embryogenesis. Finally I analyzed possible cues in DNA sequence and chromatin environment that might favor early H3K4me3 establishment.
These studies show that H3K4me3 is established during ZGA, yet it is not involved in transcription activation during early zebrafish development. Establishment of H3K4me3 might be a consequence of histone methyltransferase recruitment during a permissive chromatin state, and might be targeted to CpG-rich promoter elements that are enriched for the histone variant H2A.z. / Jede Zelle eines multizellulären Organismus enthält dieselbe Erbinformation, und doch können Form und Funktion von Zellen untereinander sehr unterschiedlich sein. Diese Diversität wird durch unterschiedliches Auslesen - Transkribieren - der Erbinformation erreicht. Embryogenese beschreibt den Prozess, der aus einer einzelnen Zelle - der Zygote - einen multizellulären Embryo entstehen lässt. Interessanterweise laufen frühe Stadien der Embryogenese ohne Transkription der embryonalen Erbinformation ab, sondern werden durch maternal bereitgestellte Faktoren ermöglicht. Erst nach einer spezies-spezifischen Entwicklungsphase wird das Erbgut der Zygote aktiv transkribiert und ermöglicht die weitere Embryonalentwicklung. Obwohl bereits wichtige Regulatoren dieser globalen Genomaktivierung identifiziert werden konnten, sind viele molekulare Mechanismen, die zur Aktivierung des zygotischen Genoms beitragen, bisher unbekannt.
In der hier vorliegenden Doktorarbeit habe ich die Rolle von Histon H3 Lysin 4 Trimethylierung (H3K4me3) während der frühen Embryogenese des Zebrafischs untersucht. H3K4me3 ist eine Chromatinmodifikation, die mit aktiver Transkription in Verbindung gebracht wird. H3K4me3 ist an Transkriptions-Start-Stellen von aktiv ausgelesenen Genen angereichert und es wird vermutet, dass diese Modifikation das Binden von Transkriptionsfaktoren und der Transkriptionsmaschinerie erleichtert. Während meiner Arbeit habe ich durch Mutation verschiedener Histon-Methyltransferasen beziehungsweise die Überexpression eines dominant-negativen Histonsubstrats versucht, die Etablierung von H3K4me3 in frühen Entwicklungsstadien des Zebrafischs zu verhindern. Anschliessend habe untersucht, welchen Effekt H3K4me3-Reduktion auf Tranksriptionsaktivität entsprechender Gene hat. Allerdings konnte ich keinen Zusammenhang zwischen H3K4me3-Reduktion und Transkriptionsaktivität beobachten. Um herauszufinden, weshalb H3K4me3 dennoch während früher Embryonalstadien etabliert wird, habe ich nachfolgend untersucht, ob möglicherweise bestimmte DNASequenzen oder Chromatin-Modifikationen zur Etablierung von H3K4me3 wahrend der Embryogenese des Zebrafischs beitragen.
Aus der hier vorliegenden Arbeit lässt sich schlussfolgern, dass H3K4me3 in Tranksriptionsaktivierung während früher Embryonalstadien des Zebrafischs nicht involviert ist. Möglicherweise wird H3K4me3 in diesen Stadien in einer permissiven Chromatinumgebung etabliert, bevorzugt an Promotoren mit starker H2A.z-Anreicherung und CpG-reichen DNA-Elementen.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa.de:bsz:14-qucosa-222355 |
| Date | 06 April 2017 |
| Creators | Krause, Maximilian |
| Contributors | Technische Universitaet Dresden, Fakultät Mathematik und Naturwissenschaften, PhD Nadine Vastenhouw, Prof. Dr. Francis Stewart, Prof. Dr. Karla Neugebauer |
| Publisher | Saechsische Landesbibliothek- Staats- und Universitaetsbibliothek Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
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