Wie beeinflusst die Chromatinstruktur die Lokalisation von Chromosomen im Nukleus und die Stabilität des Genoms?
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Fakultatives Heterochromatin enthält Gene, die für bestimmte Entwicklungs- oder Lebenszyklusphasen wichtig sind. Die Regulation der Transkription dieser Gene wird durch die Chromatinstruktur beeinflusst. Fakultatives Heterochromatin steuert die Entwicklung und Differenzierung in vielen Eukaryonten. In Metazoen, Pflanzen und vielen Pilzen ist fakultatives Heterochromatin durch Transkriptionsunterdrückung und Nukleosomen, die an Histon H3-Lysin 27 trimethyliert sind (H3K27me3), gekennzeichnet. Während der Verlust von H3K27me3 in vielen Spezies zu einer Derepression des transkriptionellen Gen-Silencing führt, sind zusätzliche vorund nachgelagerte Regulierungsebenen notwendig, um die Kontrolle der Transkription in Chromosomenregionen, die mit H3K27me3 angereichert sind, zu vermitteln. In diesem Projekt untersuchten wir die Auswirkungen einer Histonmarkierung auf Histon H4, H4K20me3, im Pilz Zymoseptoria tritici, einem wichtigen, weltweiten Pathogen des Weizens. Die Deletion von kmt5, dem Gen, das für die einzige Methyltransferase kodiert, die für die H4K20-Methylierung verantwortlich ist, führte zu einer globalen Aktivierung der Transkription, insbesondere in Regionen mit fakultativem Heterochromatin. Die Umkehrung des Silencing in Abwesenheit von H4K20me3 betraf nicht nur Gene, sondern auch eine große Anzahl neuartiger, bisherr unentdeckter, nicht kodierender Transkripte, die in Regionen mit fakultativem Heterochromatin auf akzessorischen Chromosomen vorkommen. Die Transkriptionsaktivierung in kmt5- Deletionsstämmen ging mit einem vollständigen Verlust von Ash1-vermitteltem H3K36me3 und einer Chromatin Reorganisation einher, die die Verteilung von H3K27me3 und H3K4me2 in Regionen des fakultativen Heterochromatins beeinflusste. Stämme mit einer H4K20M-Mutation im einzigen Histon-H4-Gen von Z. tritici rekapitulierten diese Chromatinveränderungen, was darauf hindeutet, dass H4K20me3 essenziell für Ash1-vermitteltes H3K36me3 ist. Die Δkmt5- Mutanten, die wir erhalten haben, sind empfindlicher gegenüber genotoxischen Stressoren, und sowohl Δkmt5 als auch Δash1 Stämme zeigten stark erhöhte Raten von akzessorischem Chromosomenverlust. Wir haben die erste genomweite Untersuchung der H4K20-Methylierung in einem Pilz durchgeführt, und unsere Entdeckungen zeigen, dass mehrere Chromatinmodifikationen erforderlich sind, um das transkriptionelle Silencing zu etablieren, was den Rahmen für das Verständnis der Epistase-Beziehungen zwischen diesen Histonmarkierungen bietet. Zusammengenommen bieten unsere Ergebnisse Einblicke in einen neuartigen und unvermuteten Mechanismus, der die Organisation und Aufrechterhaltung von fakultativem Heterochromatin kontrolliert.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- 4th Uppsala Transposon Symposium (virtual, September 30 – October 02, 2020) "Recent loss of a DNA methyltransferase decreases mutations in repeats and impacts genome evolution in a fungal pathogen"
- Department of Botany and Plant Pathology (Oregon State University, USA, Jan. 30, 2020) Invited Seminar: "The impact of chromatin structure on genome stability and evolution in plant pathogens"
- Polycomb Repression without Bristles: Facultative Heterochromatin and Genome Stability in Fungi. Genes
Ridenour JB; Möller M; Freitag M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.3390/genes11060638) - Recent loss of the Dim2 DNA methyltransferase decreases mutation rate in repeats and changes evolutionary trajectory in a fungal pathogen. PLOS Genetics
Möller M, Habig M, Lorrain C, Feurtey A, Haueisen J, Fagundes WC, Alizadeh A, Freitag M, Stukenbrock EH
(Siehe online unter https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1009448) - 31st Fungal Genetics Conference (Pacific Grove, USA, March 15 – 20, 2022) Invited talk and poster: "Methylation of H4 controls gene expression in facultative heterochromatin"
- Group Seminar (University of Sydney, Australia, December 7, 2022) Seminar: “Chromatin structure and DNA methylation as drivers of intraspecies genome variability and evolution in a fungal plant pathogen”
- Plant Science Seminar Series (virtual, Australian National University, Canberra, September 28, 2022) Invited Seminar: "Chromatin structure and DNA methylation as drivers of intraspecies genome variability and evolution in a fungal plant pathogen"
- Stromlo Plant Pathology meeting (Australian National University, Canberra, Australia, December 1-2, 2022) Talk: “Recent loss of the Dim2 DNA methyltransferase decreases mutation rate in repeats and changes evolutionary trajectory in a fungal pathogen”
