Diseccionando el papel de Polycomb en la regulación de genes bivalentes a través del ciclo celular en células madre embrionarias

Abstract

Las células madre embrionarias (ESCs) se caracterizan por poseer un potencial de división infinito al mismo tiempo que son capaces de diferenciarse en todos los tipos celulares que componen un organismo adulto. En la última década, numerosos estudios han sugerido que este potencial de las ESCs para diferenciarse varía durante la transición a lo largo del ciclo celular, siendo la fase G1 aquella en la que las células parecen ser más proclives a diferenciarse. Sin embargo, los mecanismos moleculares que regulan esta capacidad de diferenciación dependiente de ciclo celular continúan siendo un enigma. Los complejos represores Polycomb (PRCs) son reguladores epigenéticos que reprimen los genes del desarrollo embrionario en ESCs, catalizando modificaciones postraduccionales de histonas e interviniendo en la organización tridimensional de la cromatina. En esta tesis, mostramos que la actividad de los PRCs cambia a lo largo del ciclo celular, dando lugar a variaciones en la organización tridimensional y el estado transcripcional de los genes diana de Polycomb en ESCs de ratón (mESCs). El reclutamiento de PRCs a sus promotores diana está enriquecido en la fase G2 en comparación con las fases S y G1. Esto está acoplado con un aumento de las interacciones tridimensionales entre promotores diana y una reducción de la síntesis de RNA naciente durante S y G2. La eliminación de subunidades de PRCs desestructura esta organización tridimensional y regulación transcripcional dependiente de ciclo. En esta tesis doctoral, propongo que la actividad dinámica de los PRCs a lo largo del ciclo celular establece las bases de un ciclo epigenético que favorece un estado de cromatina resistente a diferenciación durante S y G2, mientras que facilita la salida de pluripotencia y diferenciación celular en fase G1.

Embryonic stem cells (ESCs) are endorsed with an indefinite cell division potential while being able to differentiate into all cell types that compose an adult organism. Over the last decade, several studies have suggested that the potential of stem cells to differentiate vary during cell cycle transition, being G1 the phase of the cell cycle in which cells seem to be more prone to enter cell differentiation. Importantly, the molecular mechanisms regulating this cell cycle-dependent differentiation ability are unknown. Polycomb repressor complexes (PRCs) are epigenetic regulators that repress developmental genes in ESCs through the catalysis of histone modifications and supporting three-dimensional (3D) organization of chromatin within the cell nucleus. In this thesis, we demonstrate that the activity of PRCs changes during cell cycle transition, leading to variations in chromatin interactions and gene expression of PRC target developmental genes in mouse ESCs. Recruitment of PRCs to target promoters is particularly enriched during G2 as compared to G1 and S phases and it is coupled to higher 3D chromatin interactions and downregulation of target genes. Genetic ablation of different Polycomb subunits interfere with the cell cycle dependent regulation of chromatin organization and RNA synthesis from target promoters. Thus, I propose that the dynamic activity of PRCs across cell cycle is the basis of an epigenetic cycle that favours a chromatin setup that facilitates pluripotency exit and cell differentiation in G1.