Epigenetic mechanisms, including ATP-dependent chromatin remodeling and DNA methylation, alter chromatin structure and thus modulate gene expression patterns temporally and spatially in cardiac development and disease. Activation of the chromatin remodeling factor DPF3a in hypertrophic human hearts has raised interest in its role in pathological cardiac hypertrophy. In the present study, we identified a novel molecular pathway, mediated by DPF3a, which drives cardiac hypertrophy. We showed that CK2 binds and phosphorylates DPF3a at S348, which is located in the C-terminus. Upon hypertrophic stimuli, DPF3a accumulates in the nucleus in cultured cardiomyocytes and human cardiac biopsies. Phosphorylation of S348 initiates the interaction of DPF3a with HEY transcriptional repressors, leading to the release of HEY from DNA. Moreover, DPF3a recruits BRG1 to genomic targets via its interaction with HEY. Consequently, the transcription of fetal genes known to be involved in pathological hypertrophy is initiated. In addition, we showed that DPF3a is incapable of binding to DNA directly, instead, HEY factors act as the linker between DPF3a and DNA. By performing MBD-seq, we presented the first genome- wide DNA methylation analysis of human congenital heart defects and depicted the impact of alterations of DNA methylation associated with gene expression changes in patients with Tetralogy of Fallot. Moreover, we provided insight into the functional role of identified alterations of DNA methylation; for example, in the case of SCO2, a novel regulatory element located at the SCO2 promoter CpG island was identified. For sarcomeric genes such as TNNT1, TNNT2, MYL7 and PDLIM3, we found methylation changes of these genes co-localized with novel, differential splicing events that have been shown to contribute to heart failure and cardiomyopathies. Taken together, we characterized the detailed function of the chromatin remodeling factor DPF3a in cardiac hypertrophy, and analyzed DNA methylation in congenital heart defects. These findings provided insights into epigenetic regulation underlying cardiac defects, and hopefully will help to develop novel therapeutic perspectives for cardiac diseases by targeting epigenetic regulators or modifications.
Epigenetische Mechanismen wie das ATP-abhängige Remodeling der Nukleosomen und DNA-Methylierung verändern die Struktur des Chromatins und beeinflussen damit die zeitliche und räumliche Expression von Genen sowohl bei der Herzentwicklung als auch bei Herzerkrankungen. Die Aktivierung des Chromatin- Remodeling Faktors DPF3a im hypertrophen Myokard des Menschen weckte das Interesse an dessen Rolle bei der pathologischen Hypertrophie im Herzen. In der vorliegenden Studie haben wir einen neuen molekularen Stoffwechselweg gefunden, wie Hypertrophie durch DPF3a vermittelt wird. Es wurde gezeigt, dass DPF3 durch CK2 gebunden und am C-Terminus an Serin 348 (S348) phosphoryliert wird. In Proben von kultivierten Kardiomyozyten und menschlichen Herzbiopsien sammelte sich DPF3a nach hypertropher Stimulation im Zellkern an. Es konnte gezeigt werden, dass die Phosphorylierung von S348 die Interaktion von DPF3a mit HEY-Transkriptionsrepressoren initiiert, was zu deren Freisetzung von der DNA führt. Durch die Interaktion mit HEY führt DPF3a BRG1 darüber hinaus zu bestimmten genomischen Zielen. Dadurch wird die Transkription von fetalen Genen initiiert, die für ihre Rolle bei der pathologischen Hypertrophie bekannt sind. Zusätzlich wird in dieser Arbeit gezeigt, dass DPF3a nicht direkt an die DNA binden kann. Stattdessen wirken die HEY-Faktoren als Linker zwischen DPF3a und der DNA. Mit der Durchführung von MBD-seq wird in dieser Arbeit die erste genomweite DNA-Methylierungsanalyse zu angeborenen Herzfehlern im Menschen vorgestellt. Hierbei wurde der Einfluss von DNA- Methylierungsveränderungen mit einhergehenden Veränderungen in der Genexpression bei Patienten mit Fallot‘scher Tetralogie untersucht. Darüber hinaus wird ein Einblick in die funktionelle Rolle der identifizierten Veränderungen in der DNA-Methylierung gegeben. Zum Beispiel wurde ein neues regulatives Element an der Promotor CpG Insel von SCO2 gefunden. Für Gene des Sarkomers wie TNNT1, TNNT2, MYL7 und PDLIM3 wurden Methylierungsveränderungen identifiziert, die gemeinsam mit differentiellem Spleißen einhergehen. Für diese Gene wurde bereits gezeigt, dass sie eine wichtige Rolle bei der Herzschwäche und den Kardiomyopathien spielen. Zusammenfassend wurde in dieser Arbeit die Rolle des Chromatin-Remodeling Faktors DPF3a bei der kardialen Hypertrophie sowie DNA-Methylierung in angeborenen Herzerkrankungen untersucht. Die Ergebnisse geben wichtige Einblicke in die epigenetische Regulation bei der Entstehung von Herzfehlen. Diese könnten zur Entwicklung neuer therapeutischer Perspektiven für Herzerkrankungen durch gezielte epigenetische Regulatoren und Modifikationen beitragen.
