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Functional characterization of chromatin-associated protein ADP-ribosylation


Bartolomei, Giody. Functional characterization of chromatin-associated protein ADP-ribosylation. 2015, University of Zurich, Faculty of Science.

Abstract

Summary Protein ADP-ribosylation is a post-translational modification (PTM) that consists of the addition of ADP-ribose moieties to target proteins. In the nucleus, the modification is catalyzed by members of the diphtheria toxin-like ADP-ribosyl- transferases (ARTDs), of which ARTD1 is the nuclear most abundant and best studied. ADP-ribosylation has been implicated in a variety of cellular processes, ranging from maintenance of genome integrity and DNA repair and gene transcription. However, very little is known about the localization and molecular function of chromatin-associated ADP-ribosylation. In this thesis, we have investigated the mechanistic role of ARTD1-mediated chromatin poly-ADP-ribosylation (PARylation) for different cellular conditions. In the first paradigm, we investigated the role of ADP-ribosylation for the transcription of SRY (sex determining region Y)-box 2 (SOX2) target genes during the early phase of fibroblasts reprogramming to induced pluripotent stem cells (iPSC). We could show that ARTD1 and PARylation are necessary for iPS colony formation and that PAR formation keeps SOX2 associated to the DNA to efficiently transcribe SOX2 target genes, including fibroblast growth factor 4 (Fgf4). We found that exogenous FGF4 administration functionally rescues ARTD1 ablation or inhibition of PARylation. In addition, we have developed a novel chromatin affinity precipitation (ChAP) protocol to enrich ADP-ribosylated chromatin for elucidating where ADP- ribosylation is localized. We have applied this protocol to an oxidative stress paradigm and found that ADP-ribosylation induced by hydrogen peroxide (H2O2) preferentially localizes to ARTD1 and nucleosome-dense heterochromatic regions, as well as to repetitive elements within the genome. Chromatin ADP-ribosylation induced at these sites was correlated with a higher accessibility. Moreover during in vitro induced adipogenesis, ADP-ribosylation was tightly associated with peroxisome proliferator-activated receptor (PPARγ) at PPARγ target genes. Together, the thesis reveals that chromatin-associated ADP-ribosylation is a PTM whose induction and genomic distribution varies with the stimulus and the cell type. Thus, for all tested conditions targeted ADP-ribosylation to defined chromatin loci either functionally regulated chromatin structure (as for H2O2) or gene transcription (SOX2 and PPARγ). How the target specificity of ADP-ribosylation in the chromatin context is achieved needs further investigation.
Zusammenfassung Protein ADP-Ribosylierung ist eine post-translatare Modifikation bei der ADP-ribose an Zielproteine angehängt wird. Die verantwortlichen nuklearen Enzyme werden ADP-ribosyl-transferases diphteria toxin like (ARTDs) genannt, wobei ARTD1 am besten beschrieben ist. Die zellulären Prozesse bei denen ADP-Ribosylierung involviert ist, reichen von der Erhaltung der Genomintegrität und der DNS Reparatur bis hin zur Gentranskription. Dennoch ist sehr wenig über die Lokalisation und die molekulare Funktion von Chromatin-assoziierter ADP-Ribosylierung bekannt. In dieser Arbeit haben wir die mechanistische Rolle von ARTD1 erzeugter poly- ADP-Ribosylierung (PARylierung) unter verschiedenen zellulären Konditionen untersucht. Im ersten Paradigma untersuchten wir die Rolle der ADP-Ribosylierung von SOX2 Zielgenen während der frühen Phase der Fibroblasten Reprogrammierung in induzierte pluripotente Stammzellen (iPSZ). Wir konnten zeigen, dass ARTD1 für die Formierung von iPS Zellkolonien nötig ist und dass PARylierung von SOX2 wichtig ist, damit Fgf4 effizient transkribiert wird. Die exogenen Zugabe von FGF4 kompensierte die Inhibierung von PARylierung oder die Ablation von ARTD1. Des weiteren haben wir ein neues Chromatin Affinität Präzipitations Protokoll (ChAP) entwickelt, womit ADP-Ribosyliertes Chromatin angereichert werden kann und die Lokalisation der ADP-Ribosylierung geklärt werden kann. Wir haben dieses Protokoll auf ein oxidatives Stress Paradigma angewandt und gefunden, dass Wasserstoffperoxid (H2O2) induzierte ADP-Ribosylierung vorzugsweise zu Nukleosom-dichten heterochromatischen Regionen sowie zu repetitiven Elementen im Genom lokalisiert. Die an diesen Loci induzierte Chromatin ADP-Ribosylierung korrelierte mit einer höheren Zugänglichkeit des Chromatins. Zusätzlich war während der in vitro induzierten Adipogenese, die ADP-Ribosylierung eng mit PPARγ bei dessen Zielgenen assoziiert. Zusammengenommen zeigt diese Arbeit, dass die Induktion und genomische Distribution von Chromatin-assoziierter ADP-Ribosylierung vom Stimulus und Zelltyp abhängt. Unter allen getesteten Konditionen hat die zielgerichtete ADP- Ribosylierung zu bestimmten Chromatin Loci entweder die funktionelle Chromatin Struktur (bei H2O2), oder die Gentranskription (bei SOX2 und PPARγ) reguliert. Wie die zielgerichtete Spezifität der ADP-Ribosylierung im Kontext von Chromatin erreicht wird bedarf weiterer Untersuchungen.

Abstract

Summary Protein ADP-ribosylation is a post-translational modification (PTM) that consists of the addition of ADP-ribose moieties to target proteins. In the nucleus, the modification is catalyzed by members of the diphtheria toxin-like ADP-ribosyl- transferases (ARTDs), of which ARTD1 is the nuclear most abundant and best studied. ADP-ribosylation has been implicated in a variety of cellular processes, ranging from maintenance of genome integrity and DNA repair and gene transcription. However, very little is known about the localization and molecular function of chromatin-associated ADP-ribosylation. In this thesis, we have investigated the mechanistic role of ARTD1-mediated chromatin poly-ADP-ribosylation (PARylation) for different cellular conditions. In the first paradigm, we investigated the role of ADP-ribosylation for the transcription of SRY (sex determining region Y)-box 2 (SOX2) target genes during the early phase of fibroblasts reprogramming to induced pluripotent stem cells (iPSC). We could show that ARTD1 and PARylation are necessary for iPS colony formation and that PAR formation keeps SOX2 associated to the DNA to efficiently transcribe SOX2 target genes, including fibroblast growth factor 4 (Fgf4). We found that exogenous FGF4 administration functionally rescues ARTD1 ablation or inhibition of PARylation. In addition, we have developed a novel chromatin affinity precipitation (ChAP) protocol to enrich ADP-ribosylated chromatin for elucidating where ADP- ribosylation is localized. We have applied this protocol to an oxidative stress paradigm and found that ADP-ribosylation induced by hydrogen peroxide (H2O2) preferentially localizes to ARTD1 and nucleosome-dense heterochromatic regions, as well as to repetitive elements within the genome. Chromatin ADP-ribosylation induced at these sites was correlated with a higher accessibility. Moreover during in vitro induced adipogenesis, ADP-ribosylation was tightly associated with peroxisome proliferator-activated receptor (PPARγ) at PPARγ target genes. Together, the thesis reveals that chromatin-associated ADP-ribosylation is a PTM whose induction and genomic distribution varies with the stimulus and the cell type. Thus, for all tested conditions targeted ADP-ribosylation to defined chromatin loci either functionally regulated chromatin structure (as for H2O2) or gene transcription (SOX2 and PPARγ). How the target specificity of ADP-ribosylation in the chromatin context is achieved needs further investigation.
Zusammenfassung Protein ADP-Ribosylierung ist eine post-translatare Modifikation bei der ADP-ribose an Zielproteine angehängt wird. Die verantwortlichen nuklearen Enzyme werden ADP-ribosyl-transferases diphteria toxin like (ARTDs) genannt, wobei ARTD1 am besten beschrieben ist. Die zellulären Prozesse bei denen ADP-Ribosylierung involviert ist, reichen von der Erhaltung der Genomintegrität und der DNS Reparatur bis hin zur Gentranskription. Dennoch ist sehr wenig über die Lokalisation und die molekulare Funktion von Chromatin-assoziierter ADP-Ribosylierung bekannt. In dieser Arbeit haben wir die mechanistische Rolle von ARTD1 erzeugter poly- ADP-Ribosylierung (PARylierung) unter verschiedenen zellulären Konditionen untersucht. Im ersten Paradigma untersuchten wir die Rolle der ADP-Ribosylierung von SOX2 Zielgenen während der frühen Phase der Fibroblasten Reprogrammierung in induzierte pluripotente Stammzellen (iPSZ). Wir konnten zeigen, dass ARTD1 für die Formierung von iPS Zellkolonien nötig ist und dass PARylierung von SOX2 wichtig ist, damit Fgf4 effizient transkribiert wird. Die exogenen Zugabe von FGF4 kompensierte die Inhibierung von PARylierung oder die Ablation von ARTD1. Des weiteren haben wir ein neues Chromatin Affinität Präzipitations Protokoll (ChAP) entwickelt, womit ADP-Ribosyliertes Chromatin angereichert werden kann und die Lokalisation der ADP-Ribosylierung geklärt werden kann. Wir haben dieses Protokoll auf ein oxidatives Stress Paradigma angewandt und gefunden, dass Wasserstoffperoxid (H2O2) induzierte ADP-Ribosylierung vorzugsweise zu Nukleosom-dichten heterochromatischen Regionen sowie zu repetitiven Elementen im Genom lokalisiert. Die an diesen Loci induzierte Chromatin ADP-Ribosylierung korrelierte mit einer höheren Zugänglichkeit des Chromatins. Zusätzlich war während der in vitro induzierten Adipogenese, die ADP-Ribosylierung eng mit PPARγ bei dessen Zielgenen assoziiert. Zusammengenommen zeigt diese Arbeit, dass die Induktion und genomische Distribution von Chromatin-assoziierter ADP-Ribosylierung vom Stimulus und Zelltyp abhängt. Unter allen getesteten Konditionen hat die zielgerichtete ADP- Ribosylierung zu bestimmten Chromatin Loci entweder die funktionelle Chromatin Struktur (bei H2O2), oder die Gentranskription (bei SOX2 und PPARγ) reguliert. Wie die zielgerichtete Spezifität der ADP-Ribosylierung im Kontext von Chromatin erreicht wird bedarf weiterer Untersuchungen.

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Item Type:Dissertation (monographical)
Referees:Hottiger Michael, Hottiger Michael O
Communities & Collections:UZH Dissertations
Dewey Decimal Classification:Unspecified
Language:English
Place of Publication:Zürich
Date:2015
Deposited On:22 Mar 2019 15:22
Last Modified:15 Apr 2021 15:02
Number of Pages:96
OA Status:Green

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