Novel roles of Neil DNA glycosylases in genome dynamics

Epigenetiske DNA baser er dynamiske modifikasjoner på arveanleggene (genomisk DNA). Epigenetisk regulering og DNA-reparasjon er grunnleggende biologiske prosesser som er viktige for utvikling og god helse, som anerkjent av Nobelpriser (2012, 2015). DNA-glykosylaser initierer reparasjon av skadet DNA ved å fjerne modifiserte DNA-baser som kan forårsake celledød, mutasjoner og til slutt kreft. Imidlertid brukes DNA-glykosylaser også i immunitet og fjerner epigenetiske endringer i DNA. Dermed er proteiner som benyttes i både DNA-reparasjon og epigenetikk mekanistisk koblet. Selv om Neil DNA glykosylaser først ble anerkjent for deres rolle i DNA reparasjon, antas det at en viktig, om ikke hovedfunksjonen til Neil DNA-glykosylaser ligger i deres evne til å regulere epigenetiske endringer i bestemte i regioner av genomisk DNA. Dette er basert på våre uventede funn at spontane mutasjonsfrekvenser ikke økes i musmodeller som mangler Neil DNA-glykosylaser, men viser tydelige effekter på genuttrykk i musorganer, spesielt i nettverk knyttet til nevroinflammasjon, hukommelse, læring og angst. I tråd med dette viser musemodeller som mangler Neil-enzymer tydelige endringer i læring/hukommelse og angst, men utvikler ikke kreft. Dermed bruker DNA-reparasjon og epigenetikk felles faktorer. Dette prosjektet vil fokusere på hvordan epigenetiske endringer og oksiderte DNA-baser prosessert av Neil DNA-glykosylaser samarbeider for å regulere genekspresjon, noe som bidrar til normale såvel som dysfunksjonell læring/hukomelse og atferdsfenotyper og nevrodegenerering. Identifisering av de mekanistiske koblingene mellom epigenetikk og oksidativ DNA-base modifikasjoner vil avdekke viktige nye former for genomregulering, sannsynligvis av betydningen for god helse og sykdomsutvikling. Iløpet av prosjektperioden har vi gjennomført adferdsstudier og iskemistudier for musemodelller med katalytisk inaktive Neil DNA glycosylaser. Resultatene våre har vist at Neil DNA glykosylaser har andre funksjoner enn å reparere DNA skader, men som er viktig for hjernefunksjon. Vi har gjennomført biokjemiske analyser som definerer nye substrater for Neil glykosylaser av betydning for celle funksjon, inkludert i nerveceller.

Epigenetic regulation and DNA repair are fundamental biological processes that strongly influence human development and health. This project has determined how epigenetic marks and oxidized DNA bases cooperate to dynamically regulate mammalian gene expression and hence phenotype. The project has uncovered novel molecular mechanisms of genome regulation, thereby laying the foundation for (i) new diagnostic/research tools (i.e, new technology for single base resolution sequencing of oxidized bases), (ii) novel sequence signatures/motifs (including oxidized base modifications and epigenetic marks) and (iii) new drug targets.

Epigenetic regulation and DNA repair are fundamental biological processes important for development and health, as acknowledged by recent Nobel Prizes (2012, 2015). DNA glycosylases initiate base excision repair (BER) by eliminating modified bases that can cause cytotoxicity, mutations and ultimately cancer. However, DNA glycosylases are also used in innate and adaptive immunity and are required to actively remove epigenetic marks in DNA after oxidative modification of 5mC and 5hmC. Thus, DNA repair and epigenetics use of common proteins and are mechanistically linked. Although initially recognized for their role in mutation avoidance, we hypothesize that a major, if not the main, function of Neil DNA glycosylases and presumed “aberrant” oxidized pyrimidines lies in their ability to regulate epigenetic marks in specific sequence contexts. This is based on our unexpected findings that spontaneous mutation frequencies are not increased in Neil single, double or triple knockouts, whereas knockout of each of Neil1, 2 or 3 has distinct effects on gene expression in mouse organs, particularly in networks associated with neuro-inflammation, cognition and anxiety. Consistent with this, Neil knockout animals display distinct changes in cognition and anxiety, but do not spontaneously develop cancer. Thus DNA repair and epigenetics use common factors. This project will address how epigenetic marks and oxidized DNA bases processed by Neil DNA glycosylases cooperate to dynamically regulate mammalian gene expression, contributing to normal as well as dysfunctional cognitive and behavioral phenotypes and even neurodegeneration. Identifying the mechanistic links between epigenetics and oxidative DNA base modifications will uncover important new layers of genome regulation, likely with impacts on human health.