Epigenetic reprogramming involving histone H3 variants, histone modifications and DNA methylation in mouse zygotes

Abstract

In mouse zygotes, reprogramming involves chromatin reorganization and changes in the DNA modifications. The conversion of 5-methylcytosine (5mC) to 5-hydroxymethycytosine (5hmC) and further oxidized forms by the Tet dioxygenase 3 (Tet3) in maternal and maternal genomes has been associated to the modification status of histone H3 at lysine 9 (H3K9me2/3). It has also been shown that histone H3 variants H3.1, H3.2, H3.3, are asymmetrically and dynamically deposited into chromatin in DNA replication dependent and independent manner in the mouse zygote. Here we investigate the dynamics of H3 variants during epigenetic reprogramming in the zygote, in particular the control of H3K9me2 in relation to the phosphorylation status at H3S10 and H3T11 and their impact on changes in DNA modifications in mouse zygotes. We find that H3.1 and H3.2 are the prime targets for K9me2 modification impeding the oxidation of 5mC into 5hmC in an H3T11phos dependent manner in the maternal genome of mouse zygotes. Upon replication, K9me2 on both H3.1 and H3.2 is reduced and paralleled by a replication-dependent passive DNA demethylation in both parental genomes. For H3.3 we observe that phases of active DNA demethylation in both parental genomes are linked to distinct and unique dynamics of K9ac and T11phosphorylation, respectively. In summary our data indicate that a differential variant specific modification spectrum controls active and passive reprogramming processes in mouse zygotes.

Die epigenetische Reprogrammierung in der Mauszygote besteht aus der globalen Chromatinreorganisation sowie globalen Veränderungen der DNA Methylierung. Die Oxidation von 5-Methylcytosin (5mC) zu 5-Hydroxymethylcytosin (5hmC) und zu weiter oxidierten Basen durch die Tet dioxygenase 3 steht im paternalern und maternalen Genom in Korrelation mit dem Status der Methylierung von Lysin 9 an Histon 3 (H3K9me2/3). Es wurde gezeigt, dass die H3 Histonvarianten, H3.1, H3.2, H3.3, asymmetrisch und dynamisch in das Chromatin intergriert werden. Dies kann auf eine DNA-replikationsabhänige oder –unabhängige Weise geschehen. In dieser Arbeit wurde die dynamische Kontrolle von H3K9me2 und von DNA Modifikationen in Relation zum Phosphorylierungsstatus an H3S10 und H3T11 sowie der Histon H3 Varianten in der Mauszygote untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass H3.1 und H3.2 das Hauptziel für die Dimethylierung von Lysin 9 sind. Dieser Prozess ist abhängig vom Phosphorylierungsstatus von H3S10 und H3T11. H3K9me2 behindert die Oxidation von 5mC zu 5hmC im maternalen Genom der Mauszygote. Während der Replikation wird K9me2 an beiden Histonvarianten (H3.1 und H3.2) reduziert was mit einer replikationsabhängigen passiven DNA Demethylierung in beiden parentalen Genomen einhergeht. Für H3.3 wurde beobachtet, dass die Phase der aktiven DNA Demethylierung in beiden parentalen Genomen in Verbindung zu deutlichen und einzigartigen Dynamiken von K9ac und T11phos steht.Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Daten dieser Arbeit darauf hinweisen, dass ein Spektrum aus verschiedenen Histonvarianten und –modifikationen die aktive und passive Reprogrammierung in der Mauszygote kontrollieren.