Skip to main content
Login | Suomeksi | På svenska | In English

Epigenetic Regulation of Intestinal Stem Cells by Heterochromatin Mark H3K9me3

Show full item record

Title: Epigenetic Regulation of Intestinal Stem Cells by Heterochromatin Mark H3K9me3
Author(s): Heino, Olivia
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Biological and Environmental Sciences
Degree program: Master's Programme in Genetics and Molecular Biosciences
Specialisation: Genetics and genomics
Language: English
Acceptance year: 2023
Abstract:
The intestinal stem cells (ISCs) adapt in response to environmental factors and continually proliferate to renew the mammalian intestinal epithelium due to its rapid turnover. Overall, intestinal homeostasis is maintained by the differentiation and self-renewal of ISCs, which are regulated by different mechanisms, including epigenetic histone modifications. Earlier studies in the host laboratory have shown that the histone methyltransferase Su(var)3-9 is essential in the nutrient-induced activation of intestinal stem cells. Su(var)3-9 specifically trimethylates histone H3 on lysine 9 (H3K9me3), which is a repressive histone mark, responsible for transcriptional silencing at heterochromatin regions. It influences stem cell maturation, lineage specification, and many other cellular processes. However, the precise mechanisms behind its function in ISCs remain unknown – that knowledge is important for understanding the development of many diseases, including cancer and metabolic disorders. This thesis aimed to investigate the distribution of the heterochromatin mark H3K9me3 in the intestine with an emphasis on ISCs, using the Drosophila midgut and mouse intestinal organoids as models. Confocal microscopy was used together with cell-type-specific fluorescent staining, to obtain the expression of the H3K9me3 specific histone methyltransferase Su(var)3-9, in the midgut. An antibody was used for the detection of H3K9me3 distribution along the anterior/posterior axis in Su(var)3-9 overexpressed flies. Additionally, DNA adenine methyltransferase identification (DamID) was applied in order to find target genes of the H3K9me3 regulation in the genome with the specific chromo domain of M-phase phosphoprotein 8 (MPHOSPH8) that binds to H3K9me3. The number of lineage-labeled differentiated enterocytes was shown to be locally higher in the Su(var)3-9 overexpressed flies compared with the control, although the flies were on starvation without nutrient-induced activation. Moreover, the number of lineage-labeled progenitor cells was not remarkably altered between the samples. However, the intensity of H3K9me3 was significantly higher throughout the whole midguts in the Su(var)3-9 overexpressed flies in comparison to the control. According to one replicate, the DamID in mouse intestinal organoids revealed that the peaks of H3K9me3 were divergent between the samples grown in different conditions. The first sample was assumed to contain more ISCs, whereas the other one was assumed to contain more differentiated intestinal cells. According to my results, the Su(var)3-9 overexpression drives the stem cells against the differentiation of enterocytes. Furthermore, the MPHOSPH8 chromo domain in the organoids was successfully applied in DamID; thus, more replicates should be prepared for additional analysis, because I found several potential target genes of H3K9me3. In the future, it is important to further study the epigenetic regulation of ISCs, for applying the epigenetic marks as targets for the treatment of many human pathophysiological conditions, such as cancer, obesity, and metabolic disorders.
Tarmens stamceller anpassar sig till olika miljöfaktorer samtidigt som de proliferar kontinuerligt för att ersätta tarmepitelet hos mammalier. De epigenetiska histonmodifikationerna reglerar tillsammans med andra mekanismer stamcellernas självförnyelse och differentiering för att bibehålla homeostas i tarmen. Tidigare studier i Hietakangas laboratoriet har visat att histonmetyltransferaset Su(var)3-9 är väsentlig för näringsaktiveringen av tarmens stamceller. Su(var)3-9 trimetylerar specifikt histon H3 på lysin 9 (H3K9me3) som hör till de hämmande histonmärken och kopplas med transkriptionens inaktivering. Det påverkar in sin tur på många olika cellulära processer som till exempel stamcellernas mognad och differentiering. Därmed är det viktigt att förstå histonmodifikationernas roll i tarmens stamceller för att vidare kunna tillämpa denna kunskap i utvecklingen av sjukdomar, till exempel cancer och metabola sjukdomar. Målet med denna avhandling var att undersöka distributionen av H3K9me3 i tarmen genom att använda två olika modeller; Drosophila mellantarm och tarmorganoider från möss. Konfokal mikroskopering användes tillsammans med fluorescerande märkämnen i flugtarmen för att observera expressionen av histonmetyltransferaset Su(var)3-9. Dessutom upptäcktes distributionen av detta histonmärke längs hela Su(var)3-9 överexpresserade mellantarmen. Däremot tillämpades DNA adeninmetyltransferas identifiering (DamID) för att studera bindningen av H3K9me3 i kromatinet vid två olika omständigheter med MPHOSPH8 (M-phase phosphoprotein 8) proteindomänen som binder specifikt till H3K9me3. Enligt resultaten fanns det mera differentierade enterocyter på vissa områden i mellantarmen hos Su(var)3-9 överexpresserade flugor än hos kontrollen. Men antalet små celler, inklusive stamceller och enteroblaster, skiljdes inte märkvärdigt mellan proven. Emellertid var H3K9me3 expressionen märkbart starkare i Su(var)3-9 överexpresserade flugor jämfört med kontrollen. Däremot bevisade ett replikat DNA adeninmetyltransferas identifiering i tarmorganoider att H3K9me3 har olika målgener i de olika omständigheterna – det ena provet innehöll mera stamceller medan det andra mera differentierande tarmceller. Sammanfattningsvis, enligt mina resultat ser det ut som att Su(var)3-9 överexpressionen driver stamcellerna mot differentiering av enterocyter. Förutom att MPHOSPH8 proteindomänet lyckades framgångsrikt tillämpas i DamID hos organoider, hittade jag flera kandidater för målgener till H3K9me3. Därför borde man som följande tillreda flera replikat av DamID organoider för att studera vidare trimetyleringen av H3K9. I framtiden är det viktigt att forska mer de epigenetiska märken i tarmens stamceller för att kunna tillämpa denna kunskap i behandlingen av många sjukdomar, som till exempel cancer, övervikt och metabola sjukdomar.
Keyword(s): ISCs H3K9me3 Su(var)3-9 SUV39H1 MPHOSPH8 Drosophila mouse intestinal organoids DamID


Files in this item

Files Size Format View
Heino_Olivia_ProGradu_2023.pdf 2.124Mb PDF

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record