Characterization of histone acetyltransferase KAT6A and transcriptional repressor SAMD1 – two proteins possessing a novel class of unmethylated DNA-binding winged helix domains

Diese Dissertation befasst sich mit den Funktionen zweier Transkriptionsregulatoren; Histonacetyltransferase und Transkriptionsaktivator KAT6A (MOZ) sowie Transkriptionsrepressor SAMD1 (Atherin) in ihren jeweiligen molekularen und zelltypspezifischen Zusammenhängen. Zunächst identifizierten wir eine neuartige Winged-Helix Domäne am N-terminalen Ende von KAT6A als eigenständiges Merkmal der zuvor beschriebenen NEMM Domäne (N-terminaler Teil von Enok, MOZ oder MORF), einer homologen Region mit weiteren Histonacetyltransferasen. Diese KAT6A-WH1 Domäne besitzt ein DNA-Erkennungsmotiv, das KAT6A direkt an unmethylierte CpG-reiche DNA rekrutiert. Die Analyse genomweiter Bindestellen ektopischen KAT6As in HEK293-Zellen ergaben eine starke Korrelation mit unmethylierten CpG-Inseln (CGIs), insbesondere mit CGIs, die mit aktiven Promotoren assoziiert sind, gekennzeichnet von den Histonmodifizierungen H3K4me3 und H3K9ac. Wir haben gezeigt, dass KAT6A-WH1 für die beobachtete Rekrutierung zu CGIs zwar notwendig, aber alleine nicht ausreichend ist. Die KAT6A-WH2 und -DPF Domänen unterstützen die wirksame Interaktion von KAT6A-WH1 mit CGIs. Tatsächlich verursachten Mutationen der KAT6A-WH1 Domäne eine vollständige Aufhebung der KAT6A-Bindung an CGIs, erhöhten jedoch die Bindung an Genkörperregionen bei einer Untergruppe von Zielgenen, was darauf hindeutet, dass die Rekrutierungsmechanismen an diesen Stellen unabhängig von KAT6A-WH1 sind. Diese Studie zeigt erstmalig die direkte Bindung einer Histonacetyltransferase mit Chromatin auf, und bietet darüber hinaus neue und detailliertere Einblicke in die KAT6A Erkennung von Chromatin und dessen Zielgenassoziation, essentielle Mechanismen für die charakteristische Funktion von KAT6A in Histonacetylierung und Transkriptionskontrolle. Zweitens haben wir homozygote und heterozygote SAMD1-Knockout (KO) Mausembryonen und ihre spezifischen Phänotypen während der Embryogenese morphologisch charakterisiert. Die homozygote Deletion von SAMD1 war embryonal letal, während heterozygote SAMD1 KO Mäuse lebend geboren wurden. Am Embryonaltag E14.5 waren bei SAMD1-KO Embryonen eine schwere Schädigung der inneren Organe und die Bildung subkutaner Ödeme sichtbar, höchstwahrscheinlich aufgrund einer gestörten Reifung der Blutgefäße und daraus resultierender Hypoxie. Die beobachteten Defekte führten zu der Schlussfolgerung, dass SAMD1 für die funktionelle Angiogenese und die Entwicklung des Herz-Kreislauf-Systems erforderlich ist. Darüber hinaus deuteten kraniofaziale Defekte bei SAMD1-KO Embryonen auf Fehlfunktionen der Kopf- und Gehirnentwicklung hin. Um weitere Einblicke in die Rolle von SAMD1 während der Neurogenese zu gewinnen, etablierten wir eine Methode zur gezielten neuronalen Differenzierung muriner embryonaler Stammzellen (mESCs). Während dieses Prozesses wurden in SAMD1-KO Zellen transkriptionelle Dysregulationen und der globale Anstieg von H3K4me2 beobachtet, was die funktionelle Rolle von SAMD1 während der Entwicklung neuronaler Zellen weiter unterstützt. Insgesamt bietet diese Studie Einblicke in die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen der KAT6A-Bindung an Chromatin und betont die Ähnlichkeiten von KAT6A-WH1 mit der zuvor beschriebenen homologen SAMD1-WH Domäne, die ebenfalls direkt mit unmethylierten CGIs interagiert und zur Transkriptionsregulation beiträgt. Sowohl KAT6A als auch SAMD1 sind an einer Vielzahl von Entwicklungsprozessen beteiligt und Fehlregulationen werden mit zellulären Anomalien und der Entstehung von Krebs in Verbindung gebracht.