Epigenetické Procesy Během Reparace DNA
Total Page:16
File Type:pdf, Size:1020Kb
PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA Epigenetické procesy během reparace DNA Disertační práce ALENA SVOBODOVÁ KOVAŘÍKOVÁ Vedoucí práce: doc. Bártová Eva, RNDr., Ph.D., DSc. ÚSTAV EXPERIMENTÁLNÍ BIOLOGIE BIOFYZIKÁLNÍ ÚSTAV, AKADEMIE VĚD ČESKÉ REPUBLIKY Oddělení molekulární cytologie a cytometrie Brno 2019 Bibliografický záznam Autor: Mgr. Alena Svobodová Kovaříková Přírodovědecká fakulta, Masarykova univerzita Ústav experimentální biologie Název práce: Epigenetické procesy během reparace DNA Studijní program: PřF D-MBBG Molekulární a buněčná biologie a genetika Studijní obor: PřF MBBG Molekulární a buněčná biologie a genetika Vedoucí práce: doc. Bártová Eva, RNDr., Ph.D., DSc. Akademický rok: 2018/2019 Počet stran: 123 Klíčová slova: Oprava DNA; epigenetika; chromatin; histony; metyltransferázy; Suv39h1/h2; H4K20me3; H3K9me3; HP1β; Dnmt1; m6A; 5mC; 5hmC; 5caC; METTL3; METTL14 Bibliographic Entry Author: Mgr. Alena Svobodová Kovaříková Faculty of Science, Masaryk University Department of Experimental Biology Title of Thesis: Epigenetic Processes during DNA repair Degree programme: PřF D-MBBG Molecular and Cell Biology and Genetics Field of Study: PřF MBBG Molecular and Cell Biology and Genetics Supervisor: doc. Bártová Eva, RNDr., Ph.D., DSc. Academic Year: 2018/2019 Number of Pages: 123 Keywords: DNA repair; epigenetics; chromatin; histones; methyltransferases; Suv39h1/h2; H4K20me3; H3K9me3; Dnmt1; HP1β, m6A; 5mC; 5hmC; 5caC; METTL3; METTL14 Abstrakt Schopnost buňky rozpoznat a odstranit chyby v sekvenci DNA je jednou ze základních podmínek přežití každého organizmu. Během evoluce se vyvinuly různě složité a přísně řízené mechanismy opravy DNA, které buňky využívají ve stresových situacích. Narušení některého kroku z těchto fyziologických dějů může vést k rozvoji celé řady onemocnění. Nejen mnohé opravné proteiny, ale i epigenetické značky navázané na histonech, DNA a RNA regulují tyto složité procesy, souhrnně označené jako odpověď na poškození DNA (DDR). Význam epigenetiky pro tuto oblast výzkumu je obrovský, avšak konkrétní funkce epigenetických modifikací nejsou zcela objasněny, protože chromatin podléhá četným úpravám. Tato závěrečná práce přispívá k pochopení změn na úrovni chromatinu, ke kterým dochází při poškození DNA a při následné opravě. První část experimentální práce se věnuje histonovým modifikacím, především H3K9 trimetylaci a H4K20 trimetylaci, a jejich úloze v opravné dráze nehomologního spojování konců, NHEJ. V našich experimentech jsme prokázali vzájemnou interakci těchto histonových značek a stěžejního proteinu 53BP1. Navíc jsme pozorovali inhibiční vliv delece genu pro histonové metyltransferázy Suv39h1/h2 na utváření reparačních ohnisek proteinu 53BP1. Další část předkládané práce je zaměřená na rozdíly v metylaci DNA v souvislosti s disfunkcí enzymů Suv39h1/h2 a při poškození chromatinu. Ukázali jsme, že stres může v zasažené oblasti buněčného jádra vyvolat aktivní demetylaci DNA, doprovázenou tvorbou 5hmC a 5caC. Poslední část experimentální práce se zabývá distribucí vybraných posttranskripčních 6 1 modifikací RNA (m A, m A, m3G/TMG) a jejich přítomností v místě poškození DNA. Zjistili jsme pozitivní korelaci mezi množstvím hypermetylovaného 6-adeninu v RNA a správnou funkcí metyltransferáz Suv39h1/h2 v místech lokálních lézí DNA. Navíc velice rychlá akumulace m6A RNA je během opravy DNA následována redukcí hladiny m3G/TMG v poškozeném chromatinu. Abstract The ability to recognize and eliminate errors in the DNA sequence is one of the basic preconditions for the survival of each organism. In stress situations, cells take advantage of many complex and strictly regulated mechanisms developed during evolution. Malfunction of any step in these physiological processes may lead to a number of diseases. Not just proteins, but also epigenetic markers bound to proteins, DNA, and RNA, regulate these complex processes, collectively called DNA-damage response (DDR). The epigenetic impact on this research topic is huge. However, the impacts of specific epigenetic modifications are not yet clear because chromatin is subject to many modifications. This thesis contributes to our understanding of chromatin modifications appearing after DNA damage and its consequent repair. The first part of my experimental work is focused on histone modifications, especially H3K9 trimethylation and H4K20 trimethylation, and their role in nonhomologous end-joining (NHEJ) repair pathway. In our experiments, we provided evidence for a mutual interaction between these histone marks and the 53BP1 oncoprotein. Furthermore, the influence of the Suv39h1/h2 (major histone H3K9 methyltransferases) depletion on the formation of repair foci consisting of 53BP1 was observed in Suv39h1/h2 knock out cells. The second part of this thesis is focused on the relationship between DNA methylation at cytosine residues and dysfunction of Suv39h1/h2 enzymes. We have shown that stress may cause active DNA demethylation, accompanied by increased levels of 5hmC and 5caC in the cell nucleus. The last part of the experimental work deals with the role of certain posttranscriptional modifications of 6 1 RNA (m A, m A, m3G/TMG) in DNA repair processes. We observed a reduction of m6A (position 6 of a purine cycle of adenine) RNA levels in local DNA lesions in Suv39h1/h2 deficient cells. Finally, we also observed that fast accumulation of m6A RNA during DNA repair processes was followed by depletion of m3G/TMG level in damaged chromatin Poděkování Na tomto místě bych ráda poděkovala své školitelce doc. RNDr. Evě Bártové, Ph.D., DSc. za odborné vedení, cenné připomínky a čas, který mi během mého doktorského studia věnovala. Velice si také cením toho, že mi umožnila pracovat na Biofyzikálním ústavě AVČR, v. v. i., kde jsem získala nové zkušenosti v oblasti buněčné biologie a epigenetiky. Dále bych chtěla poděkovat kolegům z Oddělení molekulární cytologie a cytometrie, zejména Mgr. Denise Komůrkové, Ph.D., Mgr. Lence Stixové, Ph.D. a Mgr. Soni Legartové, Ph.D. za jejich rady a pomoc při řešení technických problémů. Velké poděkování patři také mojí rodině, především manželovi, kteří mě po celou dobu podporovali a v závěru studia věnovali svůj čas čtení i úpravám této práce. Prohlášení Prohlašuji, že jsem svoji disertační práci vypracovala samostatně s využitím informačních zdrojů, které jsou v práci citovány. Brno 30. srpna 2019 ……………………………… Jméno Příjmení: Alena Svobodová Kovaříková Použité publikace: Svobodova Kovarikova, A., Legartova, S., Krejci, J., and Bartova, E. (2018). H3K9me3 and H4K20me3 represent the epigenetic landscape for 53BP1 binding to DNA lesions. Aging 10, 2585-2605. Plná verze: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6224238/ IF: 5.515 Prohlášení: Prohlašuji, že můj podíl na publikaci činí 70 % (příprava designu studie, kultivace buněčných linií, transfekce buněk plazmidovou DNA, konfokální mikroskopie, indukce poškození UVA a γ-zářením, imunofluorescenční barvení, imunodetekce pomocí westernového přenosu, analýza dat, psaní některých částí textu). Svobodova Kovarikova, A., Stixova, L., Kovarik, A., Komurkova, D., Legartova, S., and Bartova, E. (2019). Pronounced methylation of N6-adenosine in RNAs and reduced level of m3G/TMG in small RNAs appear before the active DNA demethylation at UV-induced DNA lesions. Plná verze: odesláno v odborném periodiku Prohlášení: Prohlašuji, že můj podíl na publikaci činí 65 % (příprava designu studie, kultivace buněčných linií, transfekce buněk plazmidovou DNA, konfokální mikroskopie, indukce poškození UVA a γ-zářením, imunofluorescenční barvení, imunodetekce pomocí westernového přenosu, analýza dat, psaní některých částí textu). OBSAH 1 ÚVOD ................................................................................................................................... 16 2 TEORETICKÁ ČÁST ........................................................................................................ 17 2.1 Metylace DNA ............................................................................................................... 17 2.1.1 Metylace cytosinu u savců ...................................................................................... 19 2.1.2 Savčí DNA metyltransferázy (Dnmt) ..................................................................... 19 2.1.3 Metyl-CpG vázající proteiny .................................................................................. 25 2.2 Demetylace 5mC a jeho deriváty ................................................................................... 25 2.3 Metylace adeninu 6mA v DNA ...................................................................................... 27 2.4 Metylace RNA................................................................................................................ 28 2.5 Histonové modifikace a jejich funkční význam ............................................................. 30 2.5.1 Acetylace histonů .................................................................................................... 31 2.5.2 Metylace histonů a její funkční význam ................................................................. 32 2.6 Význam epigenetiky pro opravné mechanismy poškozené DNA .................................. 36 2.6.1 Jednořetězcové zlomy (SSB) v DNA a jejich opravné mechanismy ...................... 37 2.6.2 Dvouřetězcové zlomy a mechanismy jejich opravy ............................................... 40 2.6.3 Nukleotidové excizní opravy (NER) ...................................................................... 44 2.6.4 Epigenetické modifikace