Epigenetische Reprogrammierung der DNA Methylierung in der frühen Embryogenese der Maus

Abstract

In der frühen Embryogenese von Säugetieren kommt es zu dramatischen epigenetischen Veränderungen. Kurz nach Befruchtung der Eizelle erfolgt die epigenetische Reprogrammierung früher Embryonen, die zur Entstehung eines totipotenten Entwicklungspotentials führt. Dabei kommt es über bisher unbekannte Mechanismen zu einer genomweiten Demethylierung des paternalen Genoms der Zygote. In dieser Arbeit wurden die molekularen Mechanismen der epigenetischen Reprogrammierung der DNA Methylierung in der frühen Embryogenese der Maus analysiert. Dabei wurde gezeigt, dass neben dem paternalen Genom auch das maternale Genom, wenn auch im geringeren Maße, von dieser Reprogrammierung betroffen ist. Der wohl wichtigste Befund dieser Arbeit ist die Entdeckung, dass die aktive Demethylierung in der Zygote maßgeblich über die enzymatische Oxidation von 5mC zu 5hmC erfolgt. Hier konnte die Dioxygenase Tet3 als verantwortliches Enzym identifiziert werden. Zudem konnte gezeigt werden, dass in Eizellen von Säugern die Hydroxylierung von 5mC ein konservierter Mechanismus ist, der zur Reprogrammierung exogener Genome von Spermien und somatischer Zellkerne führt. Neben der massiven Hydroxylierung des 5mC konnten auch Indizien auf eine indirekte aktive Demethylierung des paternalen Genoms über konstitutive DNA Reparaturwege gefunden werden. Diese Ergebnisse erfordern ein Umdenken des Begriffes "aktive DNA Demethylierung" und eröffnen neue Aspekte der epigenetischen Reprogrammierung höherer Säugertiere.

In early mammalian embryos shortly after fertilization of the oocyte dramatic epigenetic changes occur. The epigenomes of early preimplantation embryos are substantially repro-grammed to ensure a totipotent developmental potential. Here, the paternal genome of the zygote undergoes genome-wide DNA demethylation by so far unknown mechanisms. In this study the molecular mechanisms of the epigenetic reprogramming of DNA methylation in the early murine preimplantation development are analyzed. This analysis has shown that not only the paternal genome but also the maternal genome is affected by this reprogramming process to some extent. Most striking, it was discovered that the active DNA demethylation in the zygote is primarily accomplished by the enzymatic oxidation of 5mC to 5hmC. In this process the dioxygenase Tet3 could be identified as responsible enzyme. Studying mouse, rabbit and bovine zygotes and also cloned mouse 1-cell embryos derived by somatic nuclear transfer, it was shown that the conversion of 5mC to 5hmC is driven by maternal factors and appears to be an evolutionary conserved mechanism of the mammalian oocyte. In addition to the massive enzymatic oxidation of 5mC, experimental evidences also suggest the involve-ment of ubiquitous DNA repair pathways in active DNA demethylation. Results of my thesis prompt the careful revision of the term "active DNA demethylation'; and open up new facets to epigenetic reprogramming in mammalian development.