Function of Polycomb Group Proteins during - ETH E

DISS. ETH NO. 18485
Function of Polycomb Group Proteins during Seed
Development
A dissertation submitted to
ETH ZURICH
for the degree of
Doctor of Sciences
presented by
Aleksandra Erilova
Diploma in Biology, Novosibirsk State University
born on May 1, 1981
citizen of Russian Federation
accepted on the recommendation of
Prof. Dr. Claudia Köhler, examiner
Prof. Dr. Wilhelm Gruissem, co-examiner
Prof. Dr. Ortrun Mittelsten Scheid, co-examiner
2009
Summary
Epigenetic phenomena are heritable changes in gene expression caused by
mechanisms that do not involve changes of DNA sequence. Many fundamental
biological processes, including cell differentiation in multicellular organisms, are
regulated by epigenetic mechanisms; therefore, the knowledge of the precise
molecular mechanisms underlying epigenetic phenomena is of fundamental
importance.
Polycomb group (PcG) proteins are evolutionary conserved chromatin modifiers
that establish gene repression by chromatin modifications. In plants, PcG
complexes control developmental transitions, like flowering initiation and
reproductive development. The FERTILIZATION INDEPENDENT SEED (FIS) PcG
complex from Arabidopsis is structurally similar to the Polycomb Repressive
Complex 2 (PRC2) from insects and mammals. The FIS complex functions in the
female gametophyte and in the endosperm of early developing seeds to repress
genes by histone methylation. Whereas the structure and function of PRC2-like
complexes is well understood in plants, the mechanism causing PRC2-mediated
transcriptional repression remains unknown. My work aimed at elucidating the
mechanism of FIS-mediated target gene repression by identifying potentially new
components of the FIS PcG-mediated silencing pathway that are required for
repression of FIS target genes during late stages of Arabidopsis seed
development.
PHERES1 (PHE1) is a direct target gene of the FIS complex (Kohler et al., 2003b)
and I used PHE1 fused to the β-GLUCORONIDASE reporter gene as a tool to
establish a genetic screen for new components of the FIS-mediated silencing
pathway. In this screen I identified jason (jas), a mutant that affects pollen
meiosis leading to the formation of diploid pollen and triploid seeds after
fertilization. The JAS gene encodes a previously uncharacterized plant specific
protein, required for normal progression of male meiosis in Arabidopsis thaliana.
Balanced maternal and paternal genome contributions are a requirement for
successful seed development. In my work, I addressed the question whether jas
triploid seeds with increased paternal genome contribution have reduced FIS PcG
activity causing developmental aberrations in the endosperm. By characterizing
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jas triploid seeds I could demonstrate that the FIS PcG complex is functional not
only in the female gametophyte and during early seed development, but also
during late seed development. Furthermore, I could show that this latter function
is impaired in triploid seeds, causing endosperm failure in jas seeds. MEDEA
(MEA), a component of the FIS complex, has reduced expression levels in jas
seeds at late stages of seed development, concomitantly with increased
expression of FIS target genes. I could significantly suppress developmental
defects of triploid seeds by increased transgene-induced MEA expression in the
endosperm.
MEA is paternally imprinted, with only the maternal copy being expressed in the
endosperm (Kinoshita et al., 1999; Vielle-Calzada et al., 1999). Analysis of MEA
imprinting in jas seeds revealed that MEA remains imprinted in tetraploid
endosperm, suggesting that relative decrease in MEA transcript levels is due to
the presence of an additional copy of the paternal genome. Based on the data
obtained in my study, I propose that imprinting of MEA serves as a dosage sensor
for increased paternal contributions in triploid seeds, establishing the molecular
basis for endosperm failure in seeds derived from interploidy crosses.
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Zusammenfassung
Epigenetische Phänomene sind vererbbare Veränderungen in der Expression von
Genen, denen keine Veränderungen der Gensequenz zu Grunde liegen. Viele
bedeutende biologische Prozesse, einschließlich Zelldifferenzierung in vielzelligen
Organismen, werden durch epigenetische Mechanismen reguliert; das
Verständnis der zugrundeliegenden epigenetischen Phänomene ist daher von
besonderer Wichtigkeit.
Polycomb Gruppen (PcG) Proteine sind evolutionär konservierte Proteine, die die
Aktivität verschiedener Gene durch Modifikationen des Chromatins etablieren. In
Pflanzen kontrollieren PcG-Proteinkomplexe entwicklungsbiologische Vorgänge,
wie z.B. die Blühinduktion und die reproduktive Entwicklung. Der FERTILIZATION
INDEPENDENT SEED (FIS) PcG-Komplex in Arabidopsis weist strukturelle
Ähnlichkeiten zum Polycomb Repressive Complex 2 (PRC2) von Insekten und
Säugern auf. Im weiblichen Gametophyten und im Endosperm reprimiert der FISKomplex spezifische Gene durch Histonmethylierung. In Pflanzen ist die Struktur
und Funktion der PRC2-ähnlichen Komplexe gut verstanden, allerdings sind die
der PRC2-vermittelten transkriptionellen Repression zugrunde liegenden
Mechanismen weitgehend unbekannt.
Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Mechanismen der FIS-vermittelten
Repression von Zielgenen während der späten Samenentwicklung, durch die
Identifikation potentieller neuer Komponenten des FIS Repressionsweges zu
erforschen.
PHERES1 (PHE1) ist ein direktes Zielgen des FIS-Komplexes und PHE1 fusioniert
mit dem β-GLUCORONIDASE Reportergen wurde als Hilfsmittel benutzt, um einen
genetischen Screen für neue Komponenten des FIS-vermittelten
Repressionsweges zu etablieren. Während dieses Screens gelang mir die
Identifikation von jason (jas), einer Mutante mit Defekten in der Meiose von
Pollen, welche zur Bildung von diploiden Pollen und triploiden Samen nach der
Befruchtung führen. Das JAS Gen kodiert für ein bis zu diesem Zeitpunkt
unbekanntes, pflanzenspezifisches Protein, welche für den normalen Ablauf der
männlichen Meiose in Arabidopsis thaliana benötigt wird.
Ein ausgewogener Beitrag von maternalem und paternalem Genom ist für eine
erfolgreiche Samenentwicklung essentiell. Eine Hauptfragestellung meiner Arbeit
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war daher, ob triploide jas Samen mit einem zusätzlichen paternalen Genom
reduzierte FIS PcG Aktivität besitzen und daher entwicklungsbiologische
Veränderungen im Endosperm aufweisen. Durch die Charakterisierung von
triploiden jas Samen konnte ich zeigen, daß der FIS PcG Komplex nicht nur im
weiblichen Gametophyten während der frühen Samenentwicklung funktionell ist,
sondern auch während der späten Samenentwicklung eine wichtige Rolle spielt.
Desweiteren zeigt meine Arbeit, daß diese Funktion während der späten
Samenentwicklung in triploiden Samen gestört ist und zu Fehlentwicklungen im
Endosperm von jas Samen führt. Während der späten Entwicklung von jas Samen
ist die Aktivität der MEDEA (MEA) Untereinheit des FIS Komplexes reduziert, was
eine erhöhte Expression von FIS Zielgenen zur Folge hat. Es gelang mir, die
entwicklungsbiologischen Defekte in triploiden Samen durch eine Transgeninduzierte, erhöhte MEA Expression im Endosperm zu unterdrücken. Diese Daten
zeigen, daß reduzierte MEA Aktivität der ursächliche Faktor für die
Fehlentwicklung von triploiden jas Samen ist.
Nur die maternal vererbte MEA Kopie ist im Endosperm aktiv, und die Repression
der paternalen MEA Allele bleibt im tetraploiden jas Endosperm erhalten. Somit
sind die reduzierten MEA Transkriptmengen sehr wahrscheinlich auf das
Vorhandensein eines zusätzlichen paternalen Genoms zurückzuführen. Basierend
auf den Ergebnissen meiner Arbeit schlage ich daher folgenden Mechanismus vor:
Maternal-spezifische Aktivität von MEA fungiert als Sensor für einen erhöhten
paternalen Beitrag in triploiden Samen und reduzierte MEA Aktivität ist die
molekulare Ursache für Endospermdefekte in Samen mit erhöhtem paternalen
Beitrag.
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