Max-Planck Institut für Molekulare Genetik, Berlin-Dahlem

Dissertation

Epigenetic reprogramming in mouse germ cells

doctorrerumnaturalium

Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I

Mgr. Petra Hajkova

Präsident der Humboldt-Universität zu Berlin
Prof. Dr. Jürgen Mlynek

Dekan: Dekan der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I
Prof. Dr. Michael Linscheid

Gutachter:
1. Prof. Dr. Jörn E. Walter
2. Prof. Dr. Harald Saumweber
3. Dr. Wolf Reik

eingereicht:3. Mai 2003

Datum der Promotion:16. September 2002

Dedication:

to my parents

Zusammenfassung

Bei Säugerkeimzellen, Zygoten und Embryos in frühen Stadien kommt der epigenetischen Neuprogammierung eine außergewöhnlich wichtige Rolle in der Regulation der Genomfunktionen in entscheidendenEntwicklungsstadien zu. Die epigenetische Neuprogrammierung in Keimzellen löscht zuerst die Imprinting-Markierungen und Epi-Mutationen und stellt dann geschlechtsspezifische Markierungen (genomische Prägung) wieder her.

Die vorliegende Arbeit bezieht sich auf das Löschen epigenetischer Modifikationen in primordialen Mauskeimzellen (primordial germ cells (PGCs)) zwischen dem 10.5 bis 13.5 Tag nach der Befruchtung.Entgegen früheren Annahmen zeigen unsere Ergebnisse, daß primordiale Mauskeimzellen (PGCs) beim Eintritt in die embryonalen Keimdrüsennoch immerDNS Methylierungsmarker besitzen, die ähnlich dem Marker in somatischen Zellen sind. Kurz nach dem Eintritt in die Keimdrüsenwerden die DNS Methylierungsmarker, die in Verbindung mit geprägtenund nicht geprägtenGenen stehen, gelöscht. Für die Mehrzahl der Gene beginnt die Löschung der Marker in männlichen und weiblichen Embryos gleichzeitig und ist innerhalb eines Entwicklungstages abgeschlossen.  Diese Kinetik deutet auf einen aktiven Demethylierungsprozess hin, initiiert durch ein somatisches Signal, ausgehend von der embryonalen Keimdrüse. Der Zeitpunkt der Neuprogrammierung in den primordialen Keimzellen ist entscheidend, da er sicherstellt, daß Keimzellen beiden Geschlechts einen epigenetisch äquivalenten Status erhalten, bevor sie geschlechtsspezifisch ausdifferenzieren und anschließend neu elterlich geprägt werden.

VollständigesVerständnis des Prozesses der Neuprogrammierung der Keimzellen ist nicht nur im Hinblick auf genomisches Imprinting wichtig, sondern auch für die Erforschung von Mechanismen für die Wiederherstellung von omnipotentenZellen bei Klonierung und Stammzellenerhaltung.

Eigene Schlagworte: Epigenetik, Reprogrammierung, DNS Methylierung, Prägung, DNS Demethylierung, Keimzellen, Gametogenesis

Summary

Epigenetic reprogramming in mammalian germ cells, zygote and early embryos, plays a crucial role in regulating genome functions at critical stages of development.  Germ line epigenetic reprogramming assures erasure of all the imprinting marks and epi-mutations and establishment of new sex-specific gametic imprints. The presented work focuses on the erasure of epigenetic modifications that occur in mouse primordial germ cells (PGCs) between day 10.5 to 13.5 post coitum (dpc).

Contrary to previous assumptions, our results show that as they enter the genital ridge the PGCs still possess DNA methylation marks comparable to those found in somatic cells. Shortly after the entry of PGCs into the gonadal anlagen the DNA methylation marks associated with imprinted and non-imprinted genes are erased. For most genes the erasure commences simultaneously in PGCs of both male and female embryos and is completed within only one day of development.  The kinetics of this process indicates that is an active demethylation process initiated by a somatic signal emanating from the stroma of the genital ridge. The timing of reprogramming in PGCs is crucial since it ensures that germ cells of both sexes acquire an equivalent epigenetic state prior to the differentiation of the definitive male and female germ cells in which, new parental imprints are established subsequently. 

Complete understanding of the germline reprogramming processes is important not only in the light of genomic imprinting but also for resolving other mechanisms connected with restoring cellular totipotency, such as cloning and stem cell derivation.

Keywords: epigenetics, reprogramming, DNA methylation, imprinting, DNA demethylation, germ cells, gametogenesis

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28.09.2004