Role of INO80 chromatin remodeling complex in genome stability and tumorigenesis

Abstract

INO80 is a recently identified member of the SWI/SNF family of ATP-dependent chromatin remodeling complex. Although INO80 has been shown in yeast to play roles in non-transcriptional nuclear processes such as DNA replication, its roles in higher eukaryotes have remained largely unexplored. In this thesis, I investigated the cellular functions of INO80 in human cells as well as its in vivo functions in whole organism model. In the first part of my thesis, I demonstrated that INO80 participates in both DNA replication and chromosome segregation during normal cell division cycle. INO80 binds to chromatin localizing at replication forks during S phase, and is required for efficient DNA synthesis and S phase progression. Unexpectedly, INO80 associates with spindle microtubule during mitosis, and its deficiency leads to defective microtubule assembly and abnormal chromosome segregation. Consistent with these results, INO80 is critical for suppressing aneuploidy and structural chromosome abnormalities. This work therefore not only emphasizes the evolutionary importance of INO80 in DNA replication but also reveals a new role for this remodeler in chromosome segregation, both of which likely come into play in maintaining the genome integrity. In the second part of my thesis, I investigated the in vivo function of INO80 using gene-targeted mouse model. I found that INO80 null mutation results in early embryonic lethality; INO80-/- embryos die before 7.5 dpc. Analysis of the early stages of embryonic development by in vitro embryo culture technique showed that INO80 is essential for the formation of the inner cell mass and generation of embryonic stem cells. I also found that the INO80 gene shows haploinsufficiency phenotypes. INO80+/- mouse embryonic fibroblasts (MEFs) exhibit the properties of cancer cells; they escape senescence in culture which rarely occurs in INO80+/+ MEFs. Karyotype analysis revealed that INO80+/- MEFs show high frequency of chromosomal abnormalities such as telomere fusion. Finally, INO80+/- mice develop polyps on their intestines whereas INO80+/+ do not. Although analysis of the phenotypes of INO80+/- mice is currently ongoing, my data strongly suggest that INO80 functions in vivo to suppress genome instability and prevent cancer development. ;INO80 는 ATP-의존적 크로마틴 리모델링 복합체의 SWI/SNF 단체 중에서 최근에 알려진 일원이다. 비록 효모에서는 INO80 가 DNA 복제와 같은 핵내의 비전사 과정에서 기능하는 것으로 알려져 있지만 고등 진핵 세포에서의 INO80 의 역할은 알려지지 않은 상태이다. 이 논문에서 필자는 인간 세포주를 이용하여 INO80 의 세포 내에서의 기능을 조사하였고, 더불어 마우스 모델을 이용하여 생체 내에서의 INO80 기능을 알아보았다. 이 논문의 첫 번째 부분에서는, 정상적인 세포 분열 주기 동안에 DNA복제와 염색체를 분리하는데 있어서 INO80 의 기능을 규명하였다. INO80 는 S 기에서 DNA 복제가 일어나는 분기점의 크로마틴에 결합해 있고, 효율적인 DNA 합성과 정상적인 S 기 진행에 필요함을 알았다. 예상치 못했던 사실은, INO80 가 방추 미세소관과 결합하고 있으며 INO80 가 결여되어 있을 경우에는 미세소관 형성에 문제가 생기고 염색체 분리가 비정상적으로 이뤄짐을 알게 된 것이다. 앞선 결과와 일관하여 INO80 가 이수체(aneuploid) 형성과 염색체의 비정상적인 구조 생성을 억제하는 데 중요함을 알게 되었다. 이러한 연구 결과는 INO80 가 DNA 복제에 있어서 진화적으로 중요한 기능을 함을 나타낼 뿐 아니라, 염색체 분리에 관여한다는 새로운 기능을 밝혀내었고 이러한 두 가지 세포 내 과정에서의 INO80 의 기능은 결과적으로 유전체 완전성을 유지하는데 INO80 가 역할을 하는 것임을 나타내었다. 논문의 두 번째 부분에서는 유전자 적중 마우스를 이용한 INO80의 생체 내에서의 기능을 조사하였다. INO80-/- 배아는 초기 배아 발생 단계인 7.5dpc(수정되고 7.5일째 되는 날) 이전에 죽게 됨을 알았다. 생체 외 배양을 통해 초기 배아 발생 단계를 분석한 결과, INO80가 내부 세포 덩어리의 형성과 배아 줄기 세포 형성에 필요함을 알았다. 또한 INO80 유전자는 반수체부족성(haploinsufficiency) 표현형을 보였다. INO80+/- 쥐 배아 섬유아세포(mouse embryonic fibroblasts, MEFs) 는 암세포의 성질인, INO80+/+ MEFs 에서는 거의 보이지 않는, 세포 배양 중에 노화(senescence)를 벗어나는 현상이 나타났다. 이와 더불어 핵형분석을 통해 INO80+/- MEFs 에서는 말단소립 융합(telomere fusion)과 같은 비정상적인 염색체를 가진 세포가 높은 비율로 보임을 알았다. 마지막으로 INO80+/- 마우스의 장에서는 INO80+/+ 마우스에서 보이지 않는 용종(polyp)이 생겼음을 보았다. 비록 INO80+/- 마우스 표현형의 분석이 현재도 계속 진행되고 있지만 필자의 연구 결과를 통해 INO80 가 생체 내에서 유전체 불완전성을 억제하고 암 발생을 방지하는 데 기능을 하고있음을 확실히 제안한다.