Epigenetic regulation of transcriptional memory and non-coding RNA transcription

Abstract

첫 번째 장. 자연적인 성장 조건에서의 세포는 빠르게 바뀌는 환경변화에 지속적으로 노출되므로 세포의 분화, 발달 및 적응을 위해서는 필요한 유전자들의 발현 패턴을 빠르게 활성화시켜야 한다. 뿐만 아니라 동일한 혹은 다른 자극에 다시 노출된다면, 앞선 활성 상태를 ‘기억’하고 더욱 빠르고 강력하게 세포 기능에 필요한 유전자들을 재 활성화시킬 수 있는데, 이러한 반응은 ‘전사 기억’으로 알려져 있으며, 출아 효모에서 처음 밝혀졌다. 마찬가지로 환경변화 조건에서 불필요한 유전자들을 빠르게 억제시키는 것 또한 중요하지만, 세포가 전사억제 상태를 ‘기억’하는지에 대해선 알려져 있지 않았다. 본 연구에서는 효모의 약 ~540 개의 유전자가 배양액의 탄소원을 바꿔주는 (carbon source shift) 환경변화 조건에서 억제되었던 경우라면, 두 번째 환경변화 자극에서는 훨씬 더 빠르고 강하게 유전자들의 전사억제 반응이 유도된다는 것을 보여주었다. 따라서 이 새로운 전사 반응을 ‘전사 억제 기억’ (transcriptional repression memory; TREM) 으로 명명하였다. 그리고 흥미롭게도, 활성화된 프로모터를 타겟으로 하는 Rpd3L 히스톤 탈아세틸화 복합체(HDAC)가 TREM을 유도하는데, Rpd3L 돌연변이 균주가 활성화된 프로모터에서 아세틸화 수준을 증가시키고 TREM 반응을 현저하게 지연시킴을 확인하였으며, 활성화 지표인 H3K4me3와 Pho23 PHD finger 도메인을 통한 Rpd3L 복합체와의 상호 작용이 Rpd3L에 의한 히스톤 탈아세틸화 반응과 TREM을 촉진하는 데 중요함을 확인하였다. 따라서 본 연구는 활성화된 프로모터에서의 H3K4me3 표지가 Rpd3L 복합체의 히스톤 탈아세틸화와 TREM을 유도하도록 한다는 것을 제안한다. 두 번째 장. 다양한 전사 신장 인자들 (transcription elongation factors)은 전사 과정에서 코딩 영역을 이동하는 RNA 중합효소 II (RNA polymerase II)와 상호작용을 하며, 염색질 (chromatin)의 구조가 역동적으로 조절된다. 이들 신장 인자들은 또한 유전자 내 숨겨진 프로모터로부터 비정상적인 전사가 일어나는 것을 억제한다고도 알려져 있다. 효모의 Set2 히스톤 메틸화 전이효소는 잘 알려진 전사 신장 인자로써, 히스톤 H3의 36번 라이신 (K36)을 메틸화 시킬 뿐만 아니라, 이를 인식하는 Rpd3S HDAC 복합체에 의해 유전자의 코딩 영역에 히스톤 탈아세틸화를 일으킨다. 또한 RNA 중합효소 II의 전사 신장을 느리게 하고 유전자 내부에 숨겨진 전사체의 개시(cryptic initiation)를 억제한다고도 알려져 있다. 지난 연구를 통해, SET2가 결실된 세포에서 약 750 개의 숨겨진 전사체(cryptic transcript)들의 유전자 발현이 증가함을 확인했으며, 흥미롭게도, 이들 중 절반 이상은 환경 변화에 의해 그 발현이 조절되고, 이러한 발현 패턴은 mRNA 프로모터의 하향조절 (down-regulation)과 관련성을 나타냈다. 그러나 mRNA의 핵심 프로모터 활성이 Set2가 매개하는 숨겨진 프로모터의 전사조절에 어떤 영향을 미치는지는 알려져 있지 않았다. 따라서 본 연구에서는 mRNA의 프로모터 활성을 증가시켰을 때 Set2가 매개하는 숨겨진 전사체의 억제(repression)가 완화됨을 확인하였다. 더욱이, 세포 내 SET2가 결실되었더라도, 숨겨진 전사체의 프로모터 영역에서는 히스톤 H3/H4 아세틸화 및 H3K4me3 수준이 상당히 감소된 것을 확인할 수 있었다. 또한 이러한 결과는 Set2 뿐만 아니라 숨겨진 전사체의 발현을 조절하는 것으로 알려진 Spt6, Asf1, Paf1 및 Bur2를 비롯한 신장 인자들 에서도 확인할 수 있었다. 따라서 핵심 프로모터의 강도(strength)가 염색질 구조를 기반으로 하는 유전자 내 숨겨진 전사체의 프로모터 조절에 기여한다는 것을 밝힌다.;PART I. Transcriptional memory is critical for the faster reactivation of necessary genes upon environmental changes and requires that the genes were previously in an active state. However, whether transcriptional repression also displays ‘memory’ of the prior transcriptionally inactive state remains unknown. In this study, I show that transcriptional repression of ~540 genes in yeast occurs much more rapidly if the genes have been previously repressed during carbon source shifts. This novel transcriptional response has been termed transcriptional repression memory (TREM). Interestingly, Rpd3L histone deacetylase (HDAC), targeted to active promoters induces TREM. Mutants for Rpd3L exhibit increased acetylation at active promoters and delay TREM significantly. Surprisingly, the interaction between H3K4me3 and Rpd3L via the Pho23 PHD finger is critical to promote histone deacetylation and TREM by Rpd3L. Therefore, I propose that an active mark, H3K4me3 enriched at active promoters, instructs Rpd3L HDAC to induce histone deacetylation and TREM. PART II. During transcription, many transcription elongation factors interact with RNA Pol II moving through coding regions and the chromatin structure is dynamically regulated. These factors also repress aberrant transcription from hidden cryptic promoters within gene bodies. The Set2 methyltransferase, a well-known elongation factor, co-transcriptionally methylates H3K36 to target histone deacetylation by Rpd3S HDAC within coding regions and slows RNA Pol II elongation and suppresses cryptic initiation. I recently revealed that approximately 750 cryptic transcripts were increased in SET2 deleting cells. Interestingly, more than half of them were induced upon environmental changes and this pattern was associated with down-regulation of mRNA promoter. However, whether mRNA promoter activity affects Set2-mediated regulation of cryptic promoter remains elusive. In this study, I show that the increased core promoter activity alleviates Set2-mediated repression of cryptic transcription. Furthermore, the strong promoter activity significantly reduces histone H3/H4 acetylation and H3K4me3 at the cryptic promoter regions in the absence of Set2. This effect was also seen in mutants for other elongation factors, including Spt6, Asf1, Paf1, and Bur2, known to repress cryptic transcription. These findings suggest that the core promoter strength contributes to chromatin-based regulation of internal promoters.