Regulation of DNA methylation during development
Creators: name: Aguirre-Arteta, Ana Maria
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I
Year: 2000
Subjects: subject: DNA methyltransferase
subject: Dnmt1
subject: methylierung
subject: isoform
subject: methylation
subject: 570 Biowissenschaften, Biologie
subject: 32 Biologie
subject: WD 5060
subject: WD 5360

description: Die DNA Methyltransferasen sind verantwortlich für die spezifische Methylierung von DNA-Basen. Mehrere DNA Methyltransferasen sind bekannt, wobei die Dnmt1 das hauptsächlich vorkommende Enzym ist. Bei Säugetieren korreliert die DNA-Methylierung mit der Genaktivität und ist essentiell für die Embryonalentwicklung. Eine beeinträchtigte Funktion oder Verfügbarkeit des Enzyms kann zu pathologisch veränderten Zuständen führen. Die Regulation der Dnmt1 und die damit verbundene Bedeutung bei der Entstehung von Krankheiten ist bisher nur unvollständig untersucht. In der Frühphase der Embryonalentwicklung von Säugetieren ändert sich das Methylierungsmuster des Genoms dramatisch. In zeitlich aufeinander folgenden Phasen wird die DNA demethyliert (Verlust der Methylgruppen) und neu methyliert (De-Novo Methylierung). Die Hypothese dieser Arbeit ist, dass verschiedene Isoformen der Dnmt1 in spezifischen Entwicklungsstadien exprimiert werden und zu Veränderungen des Methylierungsmusters der DNA beitragen. Um diese Regulation zu untersuchen, wurde die Struktur der Maus Dnmt1-Gens bestimmt. Außerdem wurde in verschiedenen Gewebetypen die Transkriptionsgröße und die Transkriptionsintensität der mRNA mit Hilfe von Northern-Blots quantifiziert. Mit diesen Experimenten konnte im Hoden- und Skelettmuskelgewebe ein längeres Dnmt1-Transkript als in anderen Geweben identifiziert werden. Dieses neue Dnmt1-Transkript wurde mit Hilfe von RT-PCR und RACE-Techniken kloniert und ist in beiden Geweben identisch. Es unterscheidet sich auf DNA-Ebene in der Sequenz des 5'-Endes von der bisher bekannten Form der Dnmt1 und besitzt einen anderen Startpunkt für die Transkription. Darüber hinaus besitzt das neue Dnmt1-Transkript ein 800 Basenpaar großes erstes Exon, welches sich von dem des bekannten Dnmt1-Transkripts unterscheidet. Die spezifische zelluläre Lokalisation des neuen Transkripts wurde mit Hilfe der In-Situ-Hybridisierung analysiert. Mit dieser Technik wurde das alternative Transkript in stärker spezialisierten, haploiden spermatogenen Zellen (Spermatiden) und zu einem geringen Maß im Skelettmuskel nachgewiesen. Während der Differenzierung von Muskelzellen wurde eine verminderte Expression des bereits bekannten mRNA-Transkripts und eine verstärkte Expression des neu identifizierten mRNA-Transkripts festgestellt. Obwohl die mRNA der alternativen Isoform verschiedene, kurze offene Leserahmen enthält, welche die Translation eines spezifischen Dnmt1 Proteins verhindern könnten, wurde durch Immunofluoreszenz- und Western-Blot Analysen ein Translationsprodukt nachgewiesen. Nach den hier aufgezeigten Ergebnissen werden alternative Dnmt1 Isoformen in vivo exprimiert, welche eine aktive Rolle bei der Regulation der DNA-Methylierung spielen könnten.
description: DNA methyltransferases (DNA MTases) are enzymes responsible for DNA methylation (transfer of methyl groups to a base in the DNA) and are vital for the development of mammals. Several MTases have been identified in eukaryotes but the most abundant is Dnmt1. Furthermore, many pathological conditions are often attributed to an altered availability or function of this enzyme, however the understanding of the regulation of Dnmt1 and the concomitant relationship to diseases is far from being complete. In mammals the methylation of DNA correlates with gene activity, and methylation patterns change dramatically during early development when the genome of the mammalian embryo undergoes consecutive waves of demethylation (loss of methylation) and de novo methylation (methylation of DNA sites that have not been previously methylated). The hypothesis of this study was that alternative Dnmt1 isoforms are expressed at specific developmental stages and thus contribute to changes in the DNA methylation pattern. To study this regulation the structure of the Dnmt1 gene was determined. In this work, the tissue distribution and abundance of Dnmt1 mRNA was analyzed by Northern blot and a new, longer transcript was identified that is present in testis and skeletal muscle tissue. The novel isoform was cloned by a combination of RT-PCR and RACE techniques and found to be identical in both tissues. This new isoform differs from the ubiquitous cDNA in the 5' end, utilizing a new transcriptional start site and an 800 bp long alternative first exon. The cellular localization of this new transcript was determined by in situ hybridization and found to be present in the more specialized haploid spermatogenic cells, spermatids and at lower level in skeletal muscle. During muscle differentiation, the ubiquitous isoform is downregulated while the alternative isoform is upregulated. Although this mRNA codes for several short upstream ORFs which could prevent translation of the Dnmt1-specific ORF, it was found by immunofluorescence and Western blot analyses that this transcript can be translated in vivo producing a shorter Dnmt1 protein. The results shown here indicate that alternative Dnmt1 isoforms are expressed in vivo and might play an active role in the regulation of DNA methylation.