Epigenetische Mechanismen zur Regulation der Transkription C 4-typischer Gene in Mais (Zea mays L.)

Danker, Tanja; Kreuzaler, Fritz

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-18088

Epigenetische Mechanismen zur Regulation der Transkription C 4-typischer Gene in Mais (Zea mays L.) = Epigenetic mechanisms involved in the transcriptional regulation of C4-specific genes in maize (Zea mays L.)

Danker, Tanja

2007

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Tanja Danker

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2007

UmfangIV, 131 S. : graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2007

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Kreuzaler, Fritz (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2007-02-13

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-18088
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/61679/files/Danker_Tanja.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Allgemeine Botanik (Genormte SW) ; Genetik (Genormte SW) ; Histon-Methyltransferase (Genormte SW) ; Histon-Acetyltransferase (Genormte SW) ; Histon-DNS-Komplex (Genormte SW) ; DNS-Methyltransferase (Genormte SW) ; DNS-Bindung (Genormte SW) ; DNS (Genormte SW) ; Biowissenschaften, Biologie (frei) ; DNA-Methylierung (frei) ; Chromatin-Immunopräzipitation (frei) ; Histon H3 (frei) ; Mais (frei) ; Lysin (frei) ; DNA methylation (frei) ; chromatin immunoprecipitation (frei) ; histone H3 (frei) ; maize (frei) ; lysine (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Gene liegen im Zellkern in Chromatin verpackt vor. Die Transkriptionsaktivierung von Chromatin ist mit verschiedenen epigenetischen Mechanismen verbunden, wobei die kovalente Modifikation von Histonen eine zentrale Rolle spielt. Zu den wichtigsten Modifikationen zählen die Methylierung und Acetylierung der N-terminalen Bereiche der Histone H3 und H4. Während Acetylierung fast grundsätzlich mit Transkriptionsaktivierung korreliert, können bestimmte Methylierungsmuster entweder aktivierend oder reprimierend wirken. Ein zweiter epigenetischer Regulationsmechanismus ist die DNA-Methylierung, die häufig mit reprimierten Genbereichen in Verbindung steht.Um den Zusammenhang von epigenetischen Mechanismen und Transkription zu untersuchen, ist das Modellsystem C4-typischer Gene besonders geeignet, da diese Gene sowohl eine lichtabhängige als auch eine gewebespezifische Regulation der Transkription aufweisen und daher verschiedene Transkriptionszustände relativ einfach hergestellt und analysiert werden können. In der vorliegenden Arbeit wurden der Transkriptionsstatus der untersuchten Gene über Real-Time-PCR bestimmt, die Histonmethylierung über ChIP-Analysen erfasst und die DNA-Methylierung durch die Verwendung methylierungssensitiver Enzyme untersucht. Die Analysen wurden durchgeführt für die Gene der Enzyme C4-PEPC, C4-ME, C4-PPDK und für das Gen der kleinen Untereinheit RbcS2 der RubisCO. Die genannten Gene werden bei der Belichtung von Blättern entweder in Mesophyll- oder Bündelscheidenzellen exprimiert. Ein Einfluss der DNA-Methylierung auf lichtabhängige oder gewebespezifisch regulierte Transkriptionsaktivierung konnte nicht festgestellt werden, jedoch wurde eine starke Korrelation bestimmter Histonmethylierungen mit potentiell transkriptionsaktiven Geweben festgestellt. So zeigen die Promotoren und kodierenden Regionen der untersuchten Gene jeweils in dem Gewebe, in dem die Transkription durch Belichtung aktiviert werden kann, ein starkes Vorkommen von tri-methyliertem Lysin an der Position 4 des Histons H3 (= H3K4). Gewebe, in denen hingegen keine Transkription stattfindet, weisen ein erhöhtes Maß an mono- und di-Methylierung an diesem Lysinrest auf. Die untersuchten Histonmethylierungsmuster waren dabei unabhängig von der eigentlichen Transkription der Gene, insbesondere war eine Belichtung der Blätter für die Etablierung des Musters nicht notwendig. Am stärksten zu beobachten war dieser Effekt auf den Genen für die C4-PEPC und das C4-ME, jedoch zeigten auch die Gene für C4-PPDK und RbcS2 entsprechende Tendenzen. Die di-Methylierung von Lysin 9 auf Histon H3, eine üblicherweise mit inaktivem Chromatin assoziierte Modifikation, ist entgegen der Erwartungen auch auf dem C4-PEPC-Gen nachweisbar. Hierbei werden ähnlich starke Signalintensitäten beobachtet wie auf einer transkriptionell vollständig inaktivierten Retrotransposon-Sequenz. Ein Vergleich der Modifkationsmuster zwischen Blatt- und Wurzelgewebe weist auf eine starke Reduktion der tri-Methylierung des H3K4 in der Wurzel hin, für die anderen Modifikationen konnten hier noch keine endgültigen Resultate erzielt werden. Die Daten werden in einen Zusammenhang mit dem Modell der Histon-Code-Hypothese gesetzt und eine mögliche Integration verschiedener Umwelteinflüsse über bestimmte Histonmodifikationen in eine Promotorantwort wird diskutiert.

Nuclear genes are organised in chromatin. The transcriptional activation of chromatin is associated with various epigenetic mechanisms and covalent histone modifications play a central role in this process. Among these modifications, methylation and acetylation of the N-terminal regions of histones H3 and H4 are most important. Acetylation of histones normally correlates with transcriptional activation whereas histone methylation can show either activating or repressing effects. Methylation of DNA can also act as a signal that is often associated with gene repression. An appropriate model system for the analysis of epigenetic effects on transcription are genes involved in the C4-metabolism. As these genes show a light-induced and tissue-specific gene regulation, different transcriptional levels can be easily induced and analysed. In this study, the transcriptional activation of C4-PEPC, C4-ME, C4-PPDK and the small subunit of RubisCO RbcS2 was determined by Real-Time-PCR. Histone methylation was analysed via ChIP-analysis and DNA methylation patterns were measured with restriction enzymes sensitive or insensitive to cytosine methylation. Upon light induction, all genes studied are expressed either in the mesophyll or in bundle sheath cells. An impact of DNA methylation on light-dependent or tissue-specific regulation of transcription could not be detected, but a strong correlation of certain histone modifications with the potential to activate genes in specific tissues was observed. Both coding and promotor regions of the tested genes showed trimethylation of lysine 4 on histone H3 (=H3K4) in the tissues where the genes could be activated by light. In contrast, tissues where transcription could not be activated display increased values of mono- and dimethylation of the lysine residue. These modifications were independent of transcription itself, in particular light was not necessary to establish the modification pattern. The strongest effects were monitored at the genes encoding C4-PEPC and C4-ME, but the same tendencies were observed at the genes for C4-PPDK and RbcS2. Unexpectedly, dimethylation of lysine 9 on histone H3, a modification normally associated with repressed chromatin, was also found on the C4-PEPC-gene. Signals were as strong as measured at a transcriptionally totally inactive retrotransposon sequence. Comparison of the histone methylation patterns in leaf and root tissues indicates a strong reduction of H3K4-trimethylation in the root. Final results could not be obtained for the other modifications. Data are discussed against the background of the histone code hypothesis and a model is suggested where different environmental stimuli are integrated into a promoter response through the induction of specific histone modifications.

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