Epigenetic control mechanisms and cell-type-specific responsiveness of Wnt/ß-catenin target genes
Final Report Abstract
Zelluläre Differenzierungsprozesse während der Embryonalentwicklung beruhen auf zeitlich und räumlich streng kontrollierten Veränderungen der Genexpression. Auslöser für das koordinierte An- und Abschalten von Genen ist fast immer die Aktivität einiger weniger Signaltransduktionswege. Der Wnt/β-Catenin Signalweg zählt zu den entwicklungsbiologisch bedeutsamen Kontrollsystemen. Er dient uns als Modell, um der Frage nachzugehen, welche molekularen Mechanismen dazu beitragen, dass derselbe Signalweg in verschiedenen Zellarten jeweils unterschiedliche Gruppen von Zielgenen regulieren kann. Dabei liegt der Fokus auf der Rolle von Chromatin und der Familie von Tcf/Lef DNA-Bindungsproteinen. Tcf/Lef Proteine sind Bindungspartner für β-Catenin und unmittelbar an der transkriptionellen Aktivierung von Wnt regulierten Genen beteiligt. Chromatin kann durch posttranslationale Veränderungen seiner Komponenten - DNA und Histone - strukturell so verändert werden, dass die Zugänglichkeit von Genen für Transkriptionsfaktoren erhöht oder erniedrigt wird. Chromatinbasierte, sogenannte epigenetische Mechanismen können daher starken Einfluss auf Genexpression ausüben. Ziel des Vorhabens war es, den wechselseitigen Einfluss von Tcf/Lef Proteinen und von Chromatinstruktur im Hinblick auf zellspezifische Expression von Wnt/β-Catenin Zielgenen zu ermitteln. Konkret wurde untersucht welche Faktoren und Gegebenheiten für Aktivierung der entwicklungsbiologisch hochrelevanten Gene T/Bra, Cdx1, Cdx2 und Sp5 erforderlich sind, bzw. welche Umstände die Aktivierung dieser Gene außerhalb ihrer Expressionsdomänen verhindern. Wir konnten zeigen, dass in embryonalen Stammzellen der Maus T/Bra, Cdx1, Cdx2 und Sp5 Wnt-induzierbar sind und eine aktive Chromatinstruktur aufweisen. Dabei hängt die Wnt-Induktion von T/Bra, Cdx2 und Sp5 in besonderer Weise von einzelnen Spleißvarianten der Tcf7 und Tcf7l2 Gene (Tcf7E, Tcf7l2E) ab. Andere, ebenfalls in embryonalen Stammzellen vorhandene Tcf/Lef Familienmitglieder können hingegen keine Wnt-Responsivität von T/Bra, Cdx2 und Sp5 vermitteln. Die aktive Chromatinstruktur dieser Gene ist jedoch unabhängig von Tcf/Lef Proteinen und bleibt auch nach Herunterregulierung von Tcf7 und Tcf7l2 Proteinen erhalten. Um das regulatorische Potenzial von Tcf/Lef Proteinen weiter zu definieren, wurde Tcf7E - der stärkste Transaktivator von T/Bra, Cdx2 und Sp5 - in neuralen Vorläuferzellen und Myoblasten exprimiert. In diesen Zellarten sind diese Gene nicht Wnt-regulierbar und weisen mit Ausnahme von Sp5 eine inaktive/reprimierte Chromatinstruktur auf. Eine Wnt-Induzierbarkeit von T/Bra und Cdx2 konnte durch ektopisches Tcf7E jedoch nicht hergestellt werden, selbst dann nicht, wenn reprimierende epigenetische Mechanismen wie DNA-Methylierung und der Polycomb Repressive Complex 2 außer Kraft gesetzt wurden. Als aufschlussreich erwies sich das Sp5 Gen, das bereits in Abwesenheit von Tcf7E eine aktive Chromatinstruktur auch in Myoblasten besitzt und in Gegenwart von Tcf7E eine Wnt-Induzierbarkeit erwarb. Daraus schließen wir, dass die zelltypspezifische Induzierbarkeit Wnt/β-Catenin Zielgenen durch zwei Umstände bedingt wird: durch die Anwesenheit transaktivierungskompetenter Tcf/Lef Varianten und zudem durch eine offene Chromatinstruktur. Um eine fälschliche Wnt-Regulation dieser Gene außerhalb ihrer Expressionsdomänen zu verhindern, sind unerwarteterweise repressive Chromatin-Modifikationen nicht erforderlich. Bereits die Assoziation von DNA mit Histonen, d. h. Chromatin per se scheint zu verhindern, dass Tcf/Lef Proteine ihre Zielgene besetzen können. Tcf/Lef Proteine sind daher für die akute transkriptionelle Aktivierung von Wnt/β-Catenin Zielgenen essentiell, sie leisten aber keinen Beitrag zur Aufrechterhaltung oder zur Entstehung aktiver Chromatinformen. Hieraus ergibt sich ein hierarchisches Modell, in dem übergeordnetes Kontrollmechanismen initial eine Öffnung von Chromatin herbeiführen müssen, um Tcf/Lef Proteinen die Bindung an ihre Zielgene zu ermöglichen und damit Wnt-Induzierbarkeit zu generieren.
Publications
- (2012) “Intrinsic properties of Tcf1 and Tcf4 splice variants determine cell-type-specific Wnt/β-catenin target gene expression”. Nucl Acids Res
Wallmen B, Schrempp M, and Hecht A
(See online at https://dx.doi.org/10.1093/nar/GKS690) - (2010) "Alternative splicing of Tcf7l2 transcripts generates protein variants with differential promoter-binding and transcriptional activation properties at Wnt/β-catenin targets". Nucl Acids Res 38, 1964-81
Weise A, Bruser K, Elfert S, Wallmen B, Wittel Y, Wöhrle S, and Hecht A
