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DNA Demethylation-Induced DNA Repair in Chromatin Regulation

English title DNA Demethylation-Induced DNA Repair in Chromatin Regulation
Applicant Schär Primo Leo
Number 182280
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Departement Biomedizin Universität Basel
Institution of higher education University of Basel - BS
Main discipline Genetics
Start/End 01.10.2018 - 30.09.2022
Approved amount 652'530.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Genetics
Experimental Cancer Research

Keywords (8)

Cell fate and identity; Chromatin Dymanics; TET and TDG; Epigenetic Plasticity; Stem cell biology; Cell heterogeneity; 5-Methylcytosine Oxidation and Repair; DNA Demethylation

Lay Summary (German)

Lead
Das Projekt befasst sich mit epigenetischen Mechanismen der Zellplastizität, wie sie bei der Zelldifferenzierung, der Reprogrammierung von Stammzellen oder der Entartung von Krebszellen eine Rolle spielen. Bekannt ist, dass chemische Modifikationen an der DNA und an Histonproteinen hierbei eine zentrale Rolle spielen. Unbekannt ist jedoch, wie die Dynamik der unterschiedlichen Modifikationen des Chromatins reguliert ist und wie sie in der strukturellen und funktionellen Organisation des Genoms zusammenspielen. Das Projekt untersuchen zwei konkrete, durch Vorarbeiten implizierte, Mechanismen, nämlich (i) wie die zielgerichtete aktive DNA Demethylierung an genregulatorischen DNA Sequenzen die Bindung spezifischer Histonproteine destabilisiert, und (ii) wie der Prozess der DNA Demethylierung zur Umprogrammierung von epigenetischen Modifikationen an Histonproteinen führt.
Lay summary

Das Projekt befasst sich mit epigenetischen Mechanismen der Zellplastizität, wie sie bei der Zelldifferenzierung, der Reprogrammierung von Stammzellen oder der Entartung von Krebszellen eine Rolle spielen. Es ist bekannt, dass chemische Modifikationen an der DNA und an Histonproteinen hierbei eine zentrale Rolle spielen. Weitgehend unbekannt ist jedoch, wie die Dynamik der unterschiedlichen Chromatinmodifikationen reguliert ist und wie sie in der strukturellen und funktionellen Organisation des Genoms zusammenspielen. Die Entdeckung der aktiven DNA Demethylierung mittels DNA Reparatur hat in dieser Hinsicht wichtige neue Hinweist geliefert und die Tür für neue Forschungsansätze geöffnet. Unsere Forschung hat gezeigt, dass genregulatorische DNA Elemente einer kontinuierlichen DNA Methylierung/Demethylierung unterliegen können, letzteres in einem aufwändigen enzymatischen Prozess der das Oxidieren, Ausschneiden und Ersetzen der methylierten DNA Bausteine beinhaltet. Dieser Prozess führt nicht primär zur Änderung des DNA Methylierungsstatus, wird aber begleitet von lokalen Veränderungen des Chromatins.

Wir postulieren, dass der Prozess der DNA Reparatur vermittelten DNA Demethylierung dynamische Vorgänge im Chromatin auslöst, welche dessen Dichte und Funktion verändern. Im Projekt untersuchen wir zwei konkrete, durch Vorarbeiten implizierte, Mechanismen, nämlich (i) wie die zielgerichtete aktive DNA Demethylierung an genregulatorischen DNA Sequenzen die Bindung spezifischer Histonproteine (H1) destabilisiert und, über die damit einhergehende Veränderung des Chromatins, Interaktionen zwischen entfernten regulatorischen DNA Elementen reguliert, und (ii) wie der Prozess der DNA Demethylierung zur Umprogrammierung von epigenetischen Modifikationen an Histonproteinen führt.

Das Forschungsprojekt verfolgt einen konzeptionell neuartigen Ansatz zur Klärung eines fundamentalen epigenetischen Mechanismus, nämlich der Koppelung von zielgerichteter DNA Demethylierung mit Veränderungen der Chromatinstruktur und Funktion.

Direct link to Lay Summary Last update: 11.11.2018

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
156467 Active DNA Demethylation in Chromatin Dynamics and Epigenetic Plasticity 01.01.2015 Project funding (Div. I-III)
156467 Active DNA Demethylation in Chromatin Dynamics and Epigenetic Plasticity 01.01.2015 Project funding (Div. I-III)

Abstract

The concerted action of transcription factors, chromatin organizers, histone and DNA modifiers and DNA metabolic processes creates structural and functional dynamics in chromatin, facilitating the differentiation of stable gene expression programs that define cell identities. While this is accepted, insight into how the different layers of genome regulation co-operate has remained poor. The discovery of active DNA demethylation, which can occur through a process of 5mC oxidation by TET proteins and replacement of the oxidized 5mC by TDG-dependent base excision repair (BER), has added another piece to the puzzle. We contributed to and followed up on this discovery to delineate the mode of action of TET-TDG-BER-mediated DNA demethylation and to investigate its biological function. This revealed that certain genomic loci undergo continuous DNA repair-mediated demethylation, providing a conceptual framework to link DNA demethylation with nucleosomal dynamics. DNA repair processes inherently have dynamic properties as they entail opening, editing and re-synthesizing DNA, events that involve signaling to chromatin. Indeed, transcriptional activation and cellular reprogramming have been associated with the formation of DNA single strand-breaks (SSBs) and the engagement of BER proteins (XRCC1, PAPR1), consistent with DNA SSB formation and repair contributing to the establishment and/or maintenance of a permissive chromatin state.Prompted by such observations, we started to investigate the hypothesis that DNA demethylation operates to target DNA SSBs to genomic sites where epigenetic plasticity is to be established or maintained. This work has corroborated the relationship between DNA demethylation and chromatin dynamics and allows us now to propose a refined approach to address the following hypothesis.TET-TDG-BER mediated DNA demethylation plays an active role in regulating chromatin accessibility at enhancers and gene promoters. Changes in chromatin accessibility are achieved (i) by modulation of linker histone H1 association, whereby DNA repair activity associated with DNA demethylation (NPM1, NPM3, PARP) plays an active role and facilitates the establishment of enhancer-promoter loops, and (ii) by changes in histone modification, facilitated by TET-TDG dependent modulation of MLL and PRC2 activities.To address this hypothesis, I am proposing a research plan with the following Objectives:Objective 1: Deciphering the role of nucleophosmin in TET-TDG-dependent regulation of chromatin accessibility.Objective 2: Deciphering the role of TET-TDG dependent DNA demethylation in the regulation of MLL and PRC2 histone methyltransferase complexes.This research program introduces novel conceptual approaches to address the impact of active DNA demethylation on chromatin. A successful completion of the research will unravel the mechanistic relationship between DNA-demethylation and nucleosomal and chromatin behavior, thereby resolving a fundamental question of epigenetics.
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