Biological significance of the histone variant H3.3

Vårt arvemateriale, DNA, er pakket inn og beskyttet av proteiner kalt histoner. De fleste histonene er lagt og inkorporert inni kromatin kun under DNA replikasjon, før celledeling. Andre histoner, såkalte histonvarianter, er laget og inkorporeres inni kromosomene gjennom hele cellesyklus. Disse er uavhengig av DNA replikasjon for inkorporering og kan dermed brukes når som helst til mange funksjoner i cellen, f.eks. til reparasjon av DNA skade. En slik histonvariant, H3.3, er essensiell for å opprettholde kromatinstruktur etter DNA skade, et brudd eller en strukturell fortyrrelse i kromatin. Det finnes imidlertid mange spørsmål om hvordan H3.3 inkorporeres inni kromosomer og hva dens rolle er i genomet. Vi har påvist i dette prosjektet at en del av nysyntetiserte H3.3 i cellen er fraktet (av et bestemt protein vi har identifisert) til spesifikke strukturer i cellekjernen, kalt «PML bodies». I disse strukturene kobles H3.3 til cargo-proteiner som deretter frakter H3.3 til spesifikke steder i kromatin (f.eks. gener, og andre spesielle regioner i kromosomene). PML bodies virker derfor som sorteringssentre for denne histonen. Vi har også vist at en endring i kromosomstruktur, ved å fjerne et oncoprotein (som heter DEK), fører til åpning av kromomosomene. Deretter kommer histon H3.3 inn raskt, inkorporeres og bidrar til reparasjon av kromosomene. Denne prosessen involverer to hoved cargoprotein komplekser som binder H3.3 og som vi også har identifisert. Vi har målt vha mikroskopistudier hvor dynamisk denne prosessen er. Vi har også kartlagt hvor H3.3 ligger i genomet vha høy-throughput sekvensering i celler som inneholder PML bodies og i fravær av disse strukturene. Vi har også kartlagt epigenetiske endringer i kromatinorganisering gjennom hele genomet. Resultatene viser at PML spiller en betydelig rolle i opprettelse av kromatinstruktur ved å beskytte spesifikke regioner i genomet. Vi har også identifisert noen av de molekylære mekanismene bak PMLs rolle i H3.3 inkorporering inni kromatin samt hva dette betyr for cellens identitet. Dette prosjektet har ført til flere høyprofilerte publikasjoner og mange foredrag på verdensbasis.

In the eukaryotic cell nucleus, the genome is organized into chromatin domains with different physical, biochemical and functional properties influencing gene expression and developmental decisions. These domains can be distinguished by their enrichment i n combinations of post-translationally modified histones and in variants of canonical histones. While the distribution and significance of epigenetic histone modifications have been extensively examined since the discovery of the histone code 10 years ago , little is known on the significance of histone variants. Nonetheless, a recent burst of publications reflects strong interest in elucidating the role of these variants. Among these, the H3 variant H3.3 incorporates into primarily (but not solely) transc riptionally active chromatin in a replication-independent manner. The mode of insertion of H3.3 into chromatin, its positioning in the genome and its requirement for vertebrate development remain elusive. We have recently reported the epigenetic environme nt of H3.3 in human promoters and have gathered preliminary data on its deposition pathway. Here, we combine expertise in mesenchymal stem cell biology, imaging, epigenetics and cell differentiation together with state-of-the-art high-throughput sequencin g and mass spectrometry technologies, to address the biological meaning of insertion of H3.3 in the genome in a cell differentiation context. Our goal is to characterize in detail the molecular mechanism of incorporation of H3.3 into chromatin and get a h int at its function in cellular differentiation. OBJECTIVE 1 aims to provide full genome coverage of H3.3 enrichment sites, in human primary progenitor cells and differentiated cells. OBJECTIVE 2 aims to elucidate the mechanistic details of H3.3 incorpora tion into chromatin, by characterizing H3.3 'transit sites' which we have recently evidenced. Work will be done by a PhD student with technical support.