Polycomb Repressive Complex 2 (PRC2) is a major epigenetic regulator in animals and plants which represses transcription of genomic loci by trimethylation on lysine 27 of histone H3 (H3K27me3), concerning genes and repetitive elements. This molecular activity was linked to several pivotal developmental processes, including maintenance of tissue identities as well as induction of flowering in response to environmental cues. While the function of PRC2 has been extensively studied in higher organisms, its importance in lower eukaryotes, such as unicellular photoautotrophic eukaryotes, remains largely undescribed. To extend this knowledge, the present study aims to determine the role of PRC2 in the single celled, photosynthetic active red alga Cyanidioschyzon merolae. For this, the PRC2 loss-of-function mutant ∆E(z) was employed, which is deficient in H3K27me3, caused by deletion of CMQ156C encoding the PRC2 catalytic subunit ortholog Enhancer of zeste E(z). To evaluate whether H3K27me3 is involved in protecting the genome integrity via repetitive element (RE) silencing, the transcriptome of ∆E(z) was compared to 10D wild type (WT) cells. As a result, H3K27me3 absence lead to increased transcription of subtelomeric regions predominantly constituted of REs. Next, I hypothesized, that PRC2 relevance might evolve in stress situations and, moreover, memory thereof. In the context of testing this assumption, a heat stress memory protocol was established, that in fact demonstrated the alga’s ability to generate a heat stress memory (termed thermomemory). More specifically, cells pre-exposed to a priming heat stimulus were largely resistant to a subsequent lethal heat exposure. Furthermore, transcriptome analysis revealed a set of genes showing revised transcriptional responses (termed trainability) upon sequential heat exposure. Interestingly, a trainable genomic heat shock locus spanning five genes could be identified. Furthermore, the chloroplast (CP) genome exhibited substantial trainability, which was most pronounced for genes encoding vast parts of the CP genetic system machinery. Finally, a substantial contribution of PRC2 to thermomemory was detected by including ∆E(z) in the memory protocol, reflected in aberrant physiological and transcriptional responses. In summary, PRC2 in C. merolae serves the function of maintaining genome integrity via RE silencing and moreover it contributes to heat stress responses, and memory thereof. A putative link between both functions may be found in the lasting, partially H3K27me3-dependent RE repression detected in response to heat. The presented results contribute to our understanding of how PRC2 function has developed during the course of evolution. As in C. merolae PRC2 combines its importance in genome protection, found predominantly in unicellular organisms, with control of memory processes described mainly in multicellular species, this situation may represent a gradual shift in PRC2 function and reflect the phylogenetic position of C. merolae situated at the border between plants and lower eukaryotes.
Polycomb Repressive Complex 2 (PRC2) ist ein wichtiger epigenetischer Regulator in Tieren und Pflanzen, der die Transkription genomischer Loci unterdrückt, indem es Lysin 27 des Histons H3 an Genen und repetitiven Elementen methyliert (H3K27me3). Diese molekulare Aktivität ist assoziiert mit mehreren entscheidenden Entwicklungsprozessen, darunter Gewebeidentitäts-Aufrechterhaltung und Blühinduktion. Während die PRC2 Funktion in höheren Organismen beschrieben ist, ist seine Bedeutung in niederen Eukaryonten noch weitgehend unbekannt. Um dieses Wissen zu erweitern, beschreibt die vorliegende Studie die Rolle von PRC2 in der einzelligen Rotalge Cyanidioschyzon merolae. Dazu wurde die PRC2-Mutante ∆E(z) verwendet, die durch Deletion des Gens CMQ156C, welches für das PRC2-Ortholog Enhancer of zeste E(z) kodiert, kein H3K27me3 mehr aufweist. Um festzustellen, ob H3K27me3 am Schutz der Genomintegrität durch Stilllegung repetitiver Elemente (RE) beteiligt ist, wurde das Transkriptom von ∆E(z) mit 10D-Wildtypzellen (WT) verglichen. Die Abwesenheit von H3K27me3 führte zu einer verstärkten Transkription von aus RE´s bestehenden Subtelomer – Regionen. Als Nächstes stellte ich die Hypothese auf, PRC2 könnte in Stressgedächtnismechanismen beteiligt sein. Um dies zu prüfen, wurde ein Hitzestressgedächtnis-Protokoll etabliert, das die Fähigkeit der Alge sich an Hitze „zu erinnern“ (Thermomemory) nachwies. So waren Zellen, die Hitze bereits erlebt hatten, weitgehend resistent gegen eine weiteren, tödlichen Hitzereiz. Transkriptom-Analysen offenbarten eine Reihe von Genen, die bei wiederholtem Hitzestress veränderte Transkriptionsreaktionen zeigen (so genannte Trainierbarkeit). Interessanterweise wurde ein trainierbarer Hitzeschock-Lokus identifiziert, der fünf Gene umfasst. Weiterhin zeigte das Chloroplastengenom hohe Trainierbarkeit, was große Teile des genetischen Systems einschloss. Schließlich wurde durch Einbeziehung von ∆E(z) in das Memory-Protokoll ein wesentlicher Beitrag von PRC2 zur Stressgedächtnisaufrechterhaltung beschrieben, was sich in abweichenden physiologischen und transkriptionellen Reaktionen zeigte. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass PRC2 in C. merolae in der Aufrechterhaltung der Genomintegrität durch RE-Repression involviert ist und darüber hinaus zu Hitzestressreaktionen und -gedächtnis beiträgt. Ein mögliches Bindeglied zwischen beiden Funktionen könnte die dauerhafte, teilweise H3K27me3-abhängige RE-Stilllegung als Reaktion auf Hitze darstellen. Die beschriebenen Ergebnisse tragen dazu bei zu verstehen, wie sich die Funktion von PRC2 im Laufe der Evolution entwickelt hat. So verbindet PRC2 in C. merolae seine Bedeutung im Genomschutz, die vorwiegend bei Einzellern zu finden ist, mit seiner Funktion in der Kontrolle von Gedächtnisprozessen, die vornehmlich bei mehrzelligen Arten beschrieben wurde. Dies könnte eine stufenweise Verschiebung der PRC2-Funktion darstellen, und die phylogenetische Position von C. merolae an der Grenze zwischen Pflanzen und niederen Eukaryonten widerspiegeln.
