Gezielte Veränderungen von DNA Modifikationen in der Mauszygote und deren Analyse im Zusammenhang der epigenetischen Reprogrammierung und der präimplantiven Entwicklung

Abstract

Während der präimplantiven Säugerentwicklung finden genomweite Umstrukturierungen der epigenetischen DNA- und Histonmodifikationen statt, die den Embryo auf die transkriptionelle Aktivierung und die damit verbundene korrekte Entwicklung vorbereiten. Dabei erfolgt der Verlust von 5mC mit einem gleichzeitigen Anstieg von 5hmC, 5fC und 5caC. In dieser Arbeit wurden Enzyme in die Mauszygote eingebracht, die für die Oxidation von 5mC oder das Ausschneiden von 5fC/5caC verantwortlich sind, wodurch sich die Mengen und Muster dieser Basen änderten. Dies erlaubte die funktionelle Analyse von 5mC, 5hmC, 5fC und 5caC in der epigenetischen Reprogrammierung und der präimplantiven Entwicklung. Es konnte ein Einfluss der Oxidation von 5mC auf die DNA- Methylierungsdynamiken gezeigt werden. Die Daten unterstützen die Theorie der komplexen, sequenzspezifischen De- und Remethylierungsmechanismen. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass der epigenetische Status, welcher in der Zygote etabliert wird, im präimplantiven Embryo aufrechterhalten wird und entscheidend für dessen Entwicklung ist. Ein epigenetisches Ungleichgewicht ist mit einer Entwicklungsrestriktion verbunden, welche auf verschiedenen Mechanismen wie z.B. Expressionsvariation oder DNA- Schäden basiert. Der Anstieg der oxidierten Basen führt dabei nämlich zu DNA- Reparaturinitiierung. Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass das in der Zygote etablierte epigenetische Gleichgewicht essentiell für die präimplantive Entwicklung ist.

During preimplantation mouse development, the genome encounters a dramatic epigenetic reprogramming, which is essential for transcriptional activation and a proper early development. The reprogramming includes extensive changes of histone modifications and genome-wide loss of DNA methylation which is coupled to oxidation of 5mC to 5hmC, 5fC and 5caC. In this study, different enzymes, responsible for the oxidation of 5mC and the excision of 5fC/5caC have been over represented in the zygote to alter the amounts and patterns of these epigenetic modifications. This approach enabled the functional analysis of 5hmC, 5fC and 5caC in reprogramming and preimplantation development. It was shown, that the artificial oxidation of 5mC influences the DNA methylation dynamics. Overall the data, support the existing theories about complex de- and remethylation dynamics in the zygote. Beside this it was shown, that the epigenetic state which is established in the zygote is maintained in the preimplantation embryo and is essential for a proper development. The epigenetic imbalance leads to developmental restrictions, which are based on different mechanisms like expression variations or DNA damage. The enhanced oxidation thereby leads to DNA repair initiation which results in a stop of further development. The results of this study show, that the epigenetic equilibrium established in the zygote is essential for the preimplantation development.