The analysis of PWWP INTERACTOR OF POLYCOMBS 1 (PWO1), a putative link between Polycomb-mediated repression and nuclear: Evolutionary studies of Polycomb-mediated repression in the unicellular algae

Abstract

The widely conserved Polycomb group (PcG) proteins facilitate chromatin- mediated gene repression by modification of histone tails. One of the PcG protein complexes, Polycomb Repressive Complex 2 (PRC2), promotes repressive chromatin formation via trimethylation of lysine-27 on histone H3 (H3K27me3). Important aspects of the PRC2-pathway concern the influence on spatial organization of chromatin in the nucleus and evolutionary conservation in lower phylogenetic branches, with both themes largely unknown especially in the green lineage. This study presents a functional association between PRC2-mediated repression and the nuclear lamina (NL), a peripheral protein mesh located underneath the inner nuclear membrane, in Arabidopsis thaliana. Namely, this study demonstratesthat a novel PRC2-associated protein, PWWP INTERACTOR OF POLYCOMBS 1 (PWO1), associates physically with a several NL components, interacts genetically with one of the NL members, CROWDED NUCLEI 1 (CRWN1), and controls expression of a similar set of genes as CRWN1. Moreover, it is shown that PWO1 localizes partially to speckle-like foci at the subnuclear periphery. Interestingly, PWO1 does not influence the global H3K27me3 status, suggesting a redundancy within PWO family or a placement of PWO1 in the PRC2-pathway downstream to the H3K27 methylation mechanism. In addition, this study investigates the evolutionary conservation of PRC2 components in unicellular representatives of lower plant branchesand the H3K27me3 features in the model red alga, Cyanidioschyzon merolae.The results demonstrate that PRC2 core proteins are widely distributed across phylogenetic subclades and C. merolaeH3K27me3 has a canonical repressive function. Interestingly, C. merolaeH3K27me3 targets predominantly repetitive elements in the genome andshowspreferential localization at telomeric and subtelomeric chromosomal regions. Moreover, this work indicates that C. merolaeH3K27me3 displays differential enrichment over gene body and is enriched at targets functionally connected with protein splicing. In conclusion, this study deepens the understanding about PRC2 involvement in spatial organization of the chromatin in the nucleus and deciphers evolutionary conservation of PRC2-pathway in simple unicellular eukaryotes.

Polycomb-Gruppen (PcG) Proteine erleichtern die Chromatin-vermittelte Genrepression durch Modifikation von Histonen in allen eukaryotischen Königreichen. Einer der PcG-Proteinkomplexe, Polycomb Repressive Complex 2 (PRC2), fördert die Bildung von reprimiertem Chromatindurch Tri-Methylierung von Lysin-27 anHiston H3 (H3K27me3). Zwei wichtige Aspekte der Regulation durchPRC2 sind der Einfluss auf die räumliche Organisation vonChromatin im Zellkern und die evolutionäre Konservierung in niederen phylogenetischen Kladen. Beide sindin Pflanzen weitgehend unbekannt. Diese Studie in Arabidopsis thalianapräsentiert eine funktionelle Assoziation zwischen PRC2-vermittelter Repression und der Kern-Lamina (KL), einem peripheren Proteinnetz, das sich im Kernlumen an der inneren Kernmembran befindet. Diese Studie zeigt, dass das neuartigePRC2-assoziierte Protein PWWP-INTERACTOR OF POLYCOMBS 1 (PWO1)physisch mit einer Anzahl von KL-Komponenten interagiert und mit einem der KL-Mitglieder, CROWDED NUCLEI 1 (CRWN1), genetisch interagiert. Desweiteren regulieren PWO1 und CRWN1 die gleichen Gene. PWO1 lokalisiert teilweise in„Speckle“-Strukturen an der Peripherie desKerns. Interessanterweise beeinflusst PWO1 nicht den globalen H3K27me3-Status, was auf eine Redundanz mit seinen Homologen in Arabidopsis oder auf eine Rollein PRC2-vermittelter Genregulation unterhalb desH3K27-Methylierungsmechanismus hindeutet. Darüber hinaus wird in dieserStudie die evolutionäre Konservierung von PRC2-Komponenten bei einzelligen Repräsentanten von niederen Pflanzenartenund H3K27me3 in der Rotalge Cyanidioschyzonmerolaeuntersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass PRC2-Proteine weit über phylogenetische Subkladen verteilt sind und H3K27me3 inC. merolae eine kanonisch repressive Funktion hat. Interessanterweise findet manH3K27me3 überwiegend an repetitiven Elementenin Telomeren und Subtelomerenim Genomvon C.merolae. Außerdem zeigt diese Arbeit, dass H3K27me3 in C.merolaedifferenziell über Gene verteilt ist und Gene reguliert, die Funktionen im Protein-splicinghaben. Zusammengefasstvertieft diese Studie das Verständnis über die Funktion von PRC2 in der räumlichen Organisation von Chromatin im Kern und trägt zur Entschlüsselung der evolutionären Konservierung des PRC2-Weges in einfachen einzelligen Eukaryoten bei.