Förderer, Alexander ORCID: 0000-0001-5517-7370 (2019). Unequal genetic redundancy between the PcG proteins CLF and SWN has created distinct biochemical properties. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Individual cells of multicellular organisms display distinct usage of identical genetic information. Gene expression states often correlate with posttranslational modifications (PTMs) on histones. Methylation of histone H3 on its lysine residue in position 27 (H3K27me) is such a signature epigenetic mark and its trimethylated form, H3K27me3, strongly correlates with transcriptional repression. In the model plant Arabidopsis thaliana (Arabidopsis), H3K27me3 in the sporophyte is exclusively catalyzed by the highly conserved histone methyltransferases CURLY LEAF (CLF) and SWINGER (SWN), which act in a protein complex called Polycomb repressive complex 2 (PRC2). Arabidopsis swn mutant plants do not have an obvious morphological phenotype, while clf mutant plants have a mild phenotype compared to the clf swn double mutant plants, which are full knockouts of sporophytic H3K27me3. However, a comparative biochemical analysis of CLF and SWN proteins in a PRC2 context has been lacking until now and it was uncertain if distinct differences are encoded in the coding or non-coding parts of CLF and SWN genes. This work shows that CLF and SWN share the enzymatic activity in a PRC2 oligomeric context to catalyze H3K27 methylation, but that their contribution to H3K27me3 is unequal due to an individually different specificity (Km/kcat) to H3K27 methylated forms (H3K27me0/1/2). Given their overlapping expression in meristems and their interchangeability of the respective non-coding parts, however, CLF and SWN are genetically redundant in planta. These findings are consistent with previous H3K27me3 ChIP-seq data in clf and swn mutants and strengthen the argument, that CLF protein is able to hypermethylate its target genes, classified as CLF-dependent genes, in the absence of SWN protein; as is the case in the swn mutant. Conversely, SWN protein relies on the presence of CLF protein to achieve H3K27me3 at these CLF-dependent target genes; as is the case in the clf mutant. My results demonstrate how the duplication of the common ancestral gene of CLF and SWN at the base of Angiosperm phylogeny has led to an unequal genetic redundancy in Arabidopsis. The results further imply a strong divergence of the coding sequences of Arabidopsis CLF and SWN from their green-lineage orthologues outside the core Brassicaceae. I anticipate my study to be a starting point to gain a better understanding of the PRC2 oligomeric composition in Arabidopsis and to further characterize such PRC2 variants.

Item Type: Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:
AbstractLanguage
Einzelne Zellen mehrzelliger Organismen verwenden die identische genetische Information unterschiedlich. Genexpressionszustände korreliert häufig mit dem lokalen Vorliegen von posttranslationalen Modifikationen (PTMs) an Histonen. Die Methylierung von Histon H3 an seinem Lysinrest in Position 27 (H3K27me) ist eine solche charakteristische epigenetische Markierung und seine trimethylierte Form, H3K27me3, korreliert stark mit transkriptioneller Repression. In der Modellpflanze Arabidopsis thaliana (Arabidopsis) wird H3K27me3 im Sporophyt ausschließlich durch die hochkonservierten Histon-Methyltransferasen CURLY LEAF (CLF) und SWINGER (SWN) katalysiert, welche in einem Proteinkomplex namens Polycomb repressive complex 2 (PRC2) vorkommen. Swn-mutierte Arabidopsis-Pflanzen haben keinen offensichtlichen morphologischen Phänotyp, wohingegen clf-Mutanten einen schwächeren Phänotyp als die clf-swn-Doppelmutante haben, welche durch den vollständigen Verlust sporophytischer H3K27-Trimethlyierung gekennzeichnet ist. Bisher fehlte jedoch eine vergleichende biochemische Analyse der CLF- und SWN-Proteine in einem PRC2-Kontext und es war ungewiss, ob deutliche Unterschiede in den kodierenden oder nicht-kodierenden Teilen von CLF- und SWN-Genen kodiert werden. Hier zeige ich, dass CLF und SWN sich in ihrer enzymatischen Aktivität im PRC2 Oligomer ähneln, insofern dass sie alle Schritte der H3K27-Methylierung katalysieren. Ihr jeweiliger Beitrag zur H3K27 Trimethlyierung ist jedoch ungleich wegen einer individuell unterschiedlichen Spezifitätskonstante (Km/kcat) im Bezug auf die zu methylkierende H3K27-Form (H3K27me0/1/2). Außerdem überlappt die Expression der Gene CLF und SWN in Meristemen und sie verhalten sich genetisch redundant in planta, da ihre nicht-kodierenden Teile gentechnisch austauschbar sind. Diese Befunde bestätigen und erweitern frühere H3K27me3 ChIP-seq Daten in clf und swn Mutanten, welche implizierten, dass das CLF Protein seine Zielgene in Abwesenheit des SWN Proteins hypermethylieren kann (wie in der swn Mutante), und umgekehrt, dass das SWN Protein abhängig ist vom Vorhandensein des CLF Proteins, um H3K27me3 bei den gleichen Zielgenen zu realisieren (wie in der clf Mutante). Meine Ergebnisse zeigen, dass die Duplikation des gemeinsamen Vorläufergens von CLF und SWN an der Basis der Stammesgeschichte von Angiospermen zu einer ungleichen genetischen Redundanz in Arabidopsis geführt hat. Die Ergebnisse implizieren ferner eine starke Divergenz der codierenden Sequenzen von Arabidopsis CLF und SWN von ihren Orthologen in anderen Grünpflanzen außerhalb der ‚core Brassicaceae‘. Es ist davon auszugehen, dass meine Studie ein Ausgangspunkt für die Aufklärung der Zusammensetzung von PRC2-Oligomeren in Arabidopsis sein wird und eine tiefergehende biochemische Analyse dieser PRC2 Varianten ermöglicht.German
Creators:
CreatorsEmailORCID
Förderer, Alexanderalexander.foerderer@gmail.comorcid.org/0000-0001-5517-7370
URN: urn:nbn:de:hbz:38-100272
Subjects: Life sciences
Uncontrolled Keywords:
KeywordsLanguage
PRC2English
CURLY LEAFEnglish
Histone methyltransferaseEnglish
Faculty: Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions: Faculty of Mathematics and Natural Sciences > MPI for Plant Breeding Research
Language: English
Date: 2019
Date of oral exam: 11 September 2018
Referee:
NameAcademic Title
George, CouplandProf. Dr.
Ute, HöckerProf. Dr.
Refereed: Yes
URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/10027

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