Chromatin is an intelligent building block that can express either external or internal needs through structural changes. To date, three methods to change chromatin structure and regulate gene expression have been well-documented: histone modification, histone exchange, and ATP-dependent chromatin remodeling. Recently, a growing body of literature has suggested that histone tail cleavage is related to various cellular processes including stem cell differentiation, osteoclast differentiation, granulocyte differentiation, mammary gland differentiation, viral infection, aging, and yeast sporulation. Although the underlying mechanisms suggesting how histone cleavage affects gene expression in view of chromatin structure are only beginning to be understood, it is clear that this process is a novel transcriptional epigenetic mechanism involving chromatin dynamics. In this review, we describe the functional properties of the known histone tail cleavage with its proteolytic enzymes, discuss how histone cleavage impacts gene expression, and present future directions for this area of study.
Alzheimer's disease (AD) is the most common age-dependent neurodegenerative disorder and shows progressive memory loss and cognitive decline. Intraneuronal filaments composed of aggregated hyperphosphorylated tau protein, called neurofibrillary tangles, along with extracellular accumulations of amyloid $\beta$ protein (A$\beta$), called senile plaques, are known to be the neuropathological hallmarks of AD. In light of recent studies, epigenetic modification has emerged as one of the pathogenic mechanisms of AD. Epigenetic changes encompass an array of molecular modifications to both DNA and chromatin, including transcription factors and cofactors. In this review, we summarize how DNA methylation and changes to DNA chromatin packaging by post-translational histone modification are involved in AD. In addition, we describe the role of SIRTs, histone deacetylases, and the effect of SIRT-modulating drugs on AD. Lastly, we discuss how amyloid precursor protein (APP) intracellular domain (AICD) regulates neuronal transcription. Our understanding of the epigenomes and transcriptomes of AD may warrant future identification of novel biological markers and beneficial therapeutic targets for AD.
The genome is almost identical in all the cells of the body. However, the functions and morphologies of each cell are different, and the factors that determine them are the genes and proteins expressed in the cells. Over the past decades, studies on epigenetic information, such as DNA methylation, histone modifications, chromatin accessibility, and chromatin conformation have shown that these properties play a fundamental role in gene regulation. Furthermore, various diseases such as cancer have been found to be associated with epigenetic mechanisms. In this study, we summarized the biological properties of epigenetics and single-cell epigenomic profiling techniques, and discussed future challenges in the field of epigenetics.
Chromatin structure and dynamics that are influenced by epigenetic marks, such as histone modification and DNA methylation, play a crucial role in modulating gene transcription. To understand the relationship between histone modifications and regulatory elements in breast cancer cells, we compared our chromatin immunoprecipitation sequencing (ChIP-Seq) histone modification patterns for histone H3K4me1, H3K4me3, H3K9/16ac, and H3K27me3 in MCF-7 cells with publicly available formaldehyde-assisted isolation of regulatory elements (FAIRE)-chip signals in human chromosomes 8, 11, and 12, identified by a method called FAIRE. Active regulatory elements defined by FAIRE were highly associated with active histone modifications, like H3K4me3 and H3K9/16ac, especially near transcription start sites. The H3K9/16ac-enriched genes that overlapped with FAIRE signals (FAIRE-H3K9/14ac) were moderately correlated with gene expression levels. We also identified functional sequence motifs at H3K4me1-enriched FAIRE sites upstream of putative promoters, suggesting that regulatory elements could be associated with H3K4me1 to be regarded as distal regulatory elements. Our results might provide an insight into epigenetic regulatory mechanisms explaining the association of histone modifications with open chromatin structure in breast cancer cells.
Background Adipocyte differentiation is completed by changing gene expression. Chromatin is closely related to gene expression. Therefore, its structure might be changed for adipocyte differentiation. Mouse 3T3-L1 preadipocytes have been used as a cell model to study molecular mechanisms of adipogenesis. Objective To examine changes of chromatin modification and expression of histone modifying enzymes during adipocyte differentiation. Methods Microscopic analysis and Oil Red O staining were performed to determine distinct phenotype of adipocyte differentiation. RT-PCR and Western blot analysis were used to examine expression levels of histone modifying enzymes during adipocyte differentiation. Histone modifications were examined by immunostaining analysis. Results Expression levels of P300 and cbp were increased during adipocyte differentiation. However, acetylation of histones was not quantitatively changed postdifferentiation of 3T3-L1 cells compared to that at pre-differentiation. RT-PCR and Western blot analyses showed that expression levels of hdac2 and hdac3 were increased during adipocyte differentiation, suggesting histone acetylation at chromatin level was homeostatically controlled by increased expression of both HATs and HDACs. Tri-methylation level of H3K9 (H3K9me3), but not that of H3K27me3, was significantly decreased during adipocyte differentiation. Decreased expression of setdb1 was consistent with reduced pattern of H3K9me3. Knock-down of setdb1 induced adipocyte differentiation. This suggests that setdb1 is a key chromatin modifier that modulates repressive chromatin. Conclusion These results suggest that there exist extensive mechanisms of chromatin modifications for homeostatic balance of chromatin acetylation and deconstruction of repressive chromatin during adipocyte differentiation.
Shoot branching is an essential agronomic trait that impacts on plant architecture and yield. Shoot branching is determined by two independent steps: axillary meristem formation and axillary bud outgrowth. Although several genes and regulatory mechanism have been studied with respect to shoot branching, the roles of chromatin-remodeling factors in the developmental process have not been reported in rice. We previously identified a chromatin-remodeling factor OsVIL2 that controls the trimethylation of histone H3 lysine 27 (H3K27me3) at target genes. In this study, we report that loss-of-function mutants in OsVIL2 showed a phenotype of reduced tiller number in rice. The reduction was due to a defect in axillary bud (tiller) outgrowth rather than axillary meristem initiation. Analysis of the expression patterns of the tiller-related genes revealed that expression of OsTB1, which is a negative regulator of bud outgrowth, was increased in osvil2 mutants. Chromatin immunoprecipitation assays showed that OsVIL2 binds to the promoter region of OsTB1 chromatin in wild-type rice, but the binding was not observed in osvil2 mutants. Tiller number of double mutant osvil2 ostb1 was similar to that of ostb1, suggesting that osvil2 is epistatic to ostb1. These observations indicate that OsVIL2 suppresses OsTB1 expression by chromatin modification, thereby inducing bud outgrowth.
Faithful and accurate replication of the DNA molecule is essential for eukaryote organisms. Nonetheless, in the last few years it has become evident that inheritance of the chromatin states associated with different regions of the genome is as important as the faithful inheritance of the DNA sequence itself. Such chromatin states are determined by a multitude of factors that act to modify not only the DNA molecule, but also the histone proteins associated with it. For instance, histones can be posttranslationally modified, and it is well established that these posttranslational marks are involved in several essential nuclear processes such as transcription and DNA repair. However, recent evidence indicates that posttranslational modifications of histones might be relevant during DNA replication. Hence, the aim of this review is to describe the most recent publications related to the role of histone posttranslational modifications during DNA replication.
Epigenetics represents a chromatin-mediated transcriptional repression which plays a control role in both animal and plant development. A number of different mechanisms have been described to be involved in the formation of chromatin structure: especially DNA methylation, nucleosomal histone modification, DNA replication timing, and binding of chromatin remodelling proteins. Epigenetic phenomena include genomic imprinting, dosage compensation of X-chromosome linked genes, mutual allelic interactions, paramutation, transvection, silencing of invasive DNA sequences, etc. They are often unstable and inherited in a non-Mendelian way. A number of epigenetic defects has been preferentially described in floral development. Here, epigenetic phenomena in model angiosperm plants and their corresponding mechanisms are reviewed.
Shen, Li;Choi, Inchan;Nestler, Eric J.;Won, Kyoung-Jae
Genomics & Informatics
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v.11
no.2
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pp.60-67
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2013
A decade-long project, led by several international research groups, called the Encyclopedia of DNA Elements (ENCODE), recently released an unprecedented amount of data. The ambitious project covers transcriptome, cistrome, epigenome, and interactome data from more than 1,600 sets of experiments in human. To make use of this valuable resource, it is important to understand the information it represents and the techniques that were used to generate these data. In this review, we introduce the data that ENCODE generated, summarize the observations from the data analysis, and revisit a computational approach that ENCODE used to predict gene expression, with a focus on the human transcriptome and its association with chromatin modifications.
Seobin Yoon;Eui-Hwan Choi;Seo Jung Park;Keun Pil Kim
BMB Reports
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v.56
no.2
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pp.108-113
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2023
Cohesin is a ring-shaped protein complex that comprises the SMC1, SMC3, and α-kleisin proteins, STAG1/2/3 subunits, and auxiliary factors. Cohesin participates in chromatin remodeling, chromosome segregation, DNA replication, and gene expression regulation during the cell cycle. Mitosis-specific α-kleisin factor RAD21 and meiosis-specific α-kleisin factor REC8 are expressed in embryonic stem cells (ESCs) to maintain pluripotency. Here, we demonstrated that RAD21 and REC8 were involved in maintaining genomic stability and modulating chromatin modification in murine ESCs. When the kleisin subunits were depleted, DNA repair genes were downregulated, thereby reducing cell viability and causing replication protein A (RPA) accumulation. This finding suggested that the repair of exposed single-stranded DNA was inefficient. Furthermore, the depletion of kleisin subunits induced DNA hypermethylation by upregulating DNA methylation proteins. Thus, we proposed that the cohesin complex plays two distinct roles in chromatin remodeling and genomic integrity to ensure the maintenance of pluripotency in ESCs.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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