Epitranscriptomic regulation of meiosis and the preimplantation embryo

Dynamiske modifikasjoner på DNA og protein er helt nødvendige for å regulere genuttrykk i cellene våre og det er slike modifikasjoner som gjørt at en hudcelle er så forskjellig fra f.eks en hjernecelle. Slike modifikasjoner har vært kjent i flere tiår. Dynamiske modifikasjoner på RNA er en mye nyligere oppdagelse (første oppdaget i 2011) - og her er det en metylering på mRNA (6-metyladenine; m6A) som er best studert. Foreløpige resultater indikerer at denne m6A kan være avgjørende for utvikling av nerveceller og for fertilitet (meiose). Nye studier viser også at reguleringen av m6A er avgjørende for vekst av kreftceller. Med dette prosjektet ønsker vi å kartlegge rollen av denne modifikasjonen, 6-metyladenin, i sykdom. Vi vil også generere mutante organismer slik at vi kan studere hvor og når disse modifikasjonene skrues på og av. Vårt mål er å forklare hvordan endret nivå av 6-metyladenin påvirker differensiering, utvikling av nerveceller og sykdom. Våre foreløpige data viser at denne modifikasjonen også er viktig for genomstabilitet og vi undersøker nå om den kan regulere rekombinasjon tidlig under utvikling. For å bedre forståelsen av amsspillet mellom ulike former for kjemiske modifikasjoner på protein, histoner og mRNA utfører vi også forsøk for å karlegge histonmodifikasjoner som reguleres sammen med mRNA modifikasjoner.

The main aim is to gain mechanistic insight of meiosis and the early embryo - and to publish in renowned journals for a large scientific community. Several manuscripts have been published or are in revision (results report). Main findings include: - The maternal-zygotic-transition (MZT) depends on a coordinated action of several histone marks. - m6A marks on mRNA is required for balancing RNA/DNA hybrids and genome stability. - m6A marks on mRNA regulate the expression of retrotransposons. - m6A marks on mRNA is highly dynamic during the early embryo development. A successful project also relies on the advancement of methods for single-cell identification of histone and RNA marks. These methods will be valuable for analyzing cancer heterogeneity. Patents appl. include: 1. Chip-seq assays; Dahl and Klungland (US Patent App 16/328,909) 2. Kits for detection of methylation status; Dahl et al (US Patent App 11,078,529)

A broad repertoire of chemical modifications is known to underlie adaptable coding and structural function of proteins, DNA and RNA. Methylations of mammalian DNA and histone residues are known to regulate transcription and the discoveries of demethylases that remove methylation in DNA and histones has led to a tremendous progress in the understanding of dynamic methyl marks in gene regulation and role in numerous diseases. Post-transcriptional RNA modifications were discovered several decades ago, but the reversible nature of RNA modifications, discovered by Chuan He's lab and our group has only recently been discovered. Owing to technological advances, knowledge of epitranscriptomic marks and their writers, readers and erasers has recently advanced tremendously. The reliance on presynthesized RNAs is a unique feature of meiosis and shortly after fertilization, embryos cross a stage during which developmental control is handed from maternally supplied gene products from the mature oocyte to gene products synthesized from the zygotic genome. Preliminary studies in model organisms assign unique roles for dynamic mRNA modifications in meiosis and for the precise configuration of the early embryo. We here propose to study in detail the role of dynamic and reversible methylations of RNA from the primordial oocyte through meiosis to the mature oocyte and in the preimplantation embryo. Our studies will focus on the role of readers and erasers of these dynamic methyl marks. Our, and others, recent data on the role of mRNA demethylation in meiosis and that of our collaborator, Chuan He, on the modification dependent clearance of maternal mRNAs for correct timing of MZT is very inspiring.