Characterization of the molecular mechanisms used by JmjC-lysine demethylases to regulate gene expression

Abstract

The thesis objectives resulted from previous work from Dr Martínez-Balbás lab that characterized the cooperation between TGFβ and JMJD3 to regulate transcription at enhancers, promoters, and gene bodies.Taking into consideration these works, described in the introduction, as well as the current bibliography, the following goals were proposed for this PhD thesis to deepen into the role of histone demethylases as transcriptional regulators:

1. To elucidate the mechanism underlying JMJD3 and TGFβ-driven enhancer activation.

• To analyze the changes in the three-dimensional structure of the chromatin triggered by the TGFβ pathway activation, as well as the contribution of JMJD3 to these changes.

• To examine the mechanism by which TGFβ-JMJD3 axis is promoting structural changes at enhancers.

2. To determine the existence of a common mechanism used by JmjC-containing lysine demethylases (JmjC-KDMs) to promote transcriptional regulation.

En mamíferos, el neurodesarrollo está dirigido por la cooperación entre señales de desarrollo, factores de transcripción y reguladores epigéneticos. Su coordinación activa elementos reguladores que determinan los programas de expresión génica específicos de cada tipo celular. Los enhancers son regiones reguladoras del genoma que activan espacio/temporalmente a sus genes diana en respuesta a señales del desarrollo. Por tanto, constituyen la mayor unidad reguladora durante el desarrollo. Está claramente establecido que la cromatina se reorganiza para formar contactos entre enhancers, originando clusters de enhancers que activan promotores, dirigiendo así la expresión génica. Lo que actualmente se debate es cómo se establecen estas agrupaciones regulatorias.

Para investigar esta cuestión, nuestro trabajo se centró en examinar la regulación de la expresión génica dirigida por la vía de señalación de TGFβ y su proteína cooperadora JMJD3, cuyo papel regulador en enhancers ha sido demostrado en células madre neurales. Por tanto, elegimos como locus de estudio el de un gen cuya expresión depende del eje JMJD3- TGFβ, el gen Chst8. En concreto, estudiamos la formación de un cluster de enhancers en respuesta a TGFβ, y de forma dependiente de JMJD3, que regula la transcripción de dicho locus. JMJD3 contiene una región intrínsicamente desordenada especialmente larga, dominio que se ha demostrado implicado en procesos de separación de fases. Así pues, en esta tesis hemos demostrado que JMJD3 participa en dichos procesos de forma dependiente de su región desordenada. Además, mostramos la existencia de una correlación entre esta capacidad de JMJD3 y su activación transcripcional del locus de Chst8. Además de JMJD3, otras desmetilasas con dominios JmjC (JMJC-KDMs) están implicadas en la regulación de procesos transcripcionales. Considerando nuestros hallazgos para JMJD3 y los recientemente

descritos condensados transcripcionales, decidimos investigar la universalidad del mecanismo de separación de fases para las JMJC- KDMs. Así, descubrimos que estas proteínas están enriquecidas en regiones desordenadas, y que ejemplos representativos de distintas familias (KDM2A, KDM4B y PHF2) forman condensados que correlacionan con sus características transcripcionales. Por tanto, nuestros resultados sugieren que la separación de fases constituye otro mecanismo, además del catalítico, usado comúnmente por las JMJC-KDMs para promover sus funciones biológicas.