Study of the role of the histone demethylase JMJD3 as a transcirptional regulator

Abstract

El desarrollo neural es un proceso coordinado en el cuál las vías de señalización cooperan con factores de transcripción y enzimas modificadoras de la cromatina para generar diferentes programas génicos que finalmente conducen a la adquisición de las características fenotípicas necesarias. A nivel de megabases, los dominios asociados topológicamente limitan la accesibilidad de los factores de transcripción y las potenciales interacciones enhancer-promotor en un espacio y tiempo concretos. Al mismo tiempo, a nivel local, las secuencias de ADN presentes en los enhancers contienen gran cantidad de lugares de unión para los factores de transcripción que son necesarios en las decisiones celulares. Cómo estas vías de señalización dinámicas coordinan el reclutamiento de los factores de transcripción en el contexto de la unión enhancer-promotor, y a qué nivel la cooperación entre las proteínas modificadoras de la cromatina y las cascadas de señalización afectan a los loops genómicos son temas abordados en esta tesis doctoral. El trabajo de Raquel Fueyo Arévalo demuestra que en células madre de córtex embrionarios de ratones de estadio E12.5, la vía de señalización de TGFβ coordina el programa génico de la diferenciación neuronal mediante la activación de un conjunto de enhancers específicos. Haciendo uso de la tecnología CRISPR-Cas9 se descifra el papel del enhancer y el promotor del gen Neurog2 durante la diferenciación neuronal y además se establece un orden jerárquico del reclutamiento de las proteínas activadoras en la estructura tridimensional de la cromatina. Considerando datos de todo el genoma, se apunta hacia el factor proneural ASCL1 como un posible factor pionero necesario para el reclutamiento de SMAD3 a los enhancers y se indica, que el interactor conocido de SMAD3, JMJD3, coopera con ASCL1 en la activación de enhancers. Además, se aborda el papel de JMJD3 en los enhancers a nivel de conformación lineal y tridimensional. Para profundizar más en el mecanismo específico que funciona en estos enhancers, se ha descubierto una nueva proteína interactora de JMJD3, la proteína relacionada con autismo CHD8.

Neural development is a coordinated process in which signaling pathways cooperate with transcription factors and histone modifying enzymes to generate different gene programs that will ultimately lead to the required phenotypical traits. At the megabase level, topological associated domains constrain the transcription factor accessibility and the potential enhancer-promoter interactions occurring in a specific time and space. At the same time, at the local level, DNA sequences present at enhancers exhibit binding sites for a plethora of transcription factors that are necessary in specific cell decisions. How dynamic signaling pathways coordinate transcription factor recruitment in the context of enhancer-promoter interactions and to which extent chromatin modifiers cooperating with the cascades impact genomic loops has been addressed in this doctoral thesis. The work of Raquel Fueyo Arévalo, demonstrates that in mouse neural stem cells obtained from E12.5 embryo cortices, TGFβ signaling pathway is orchestrating the neuronal developmental gene program by activating a specific set of enhancers. Using CRISPR-Cas9 experiments, we decipher the involvement of the TGFβ-induced NEUROG2 enhancer and promoter in the neuronal differentiation process and we establish a hierarchical order of recruitment of the activating proteins within the three dimensional chromatin structure. Considering genome-wide data, we point to the proneural factor ASCL1 as the pioneer factor required for SMAD3 recruitment to cis-regulatory regions and we indicate that the known interactor of SMAD3, JMJD3 histone demethylase, is as a new partner of ASCL1 in enhancer activation. Additionally, we address the role of JMJD3 at enhancers in the linear conformation and in the 3D-conformation. To further deepen into the specific mechanism operating on these neural enhancers, we discover a novel JMJD3 interacting partner: the autism-related protein CHD8. Altogether, our results describe new roles of the histone demethylase JMJD3 and other proteins acting downstream the TGFβ-signaling cascade in neural development, contributing to the scientific knowledge of this pathway in stem cells and disease.