Live-Cell Chromosome Dynamics and Outcome of X Chromosome Pairing Events during ES Cell Differentiation

SummaryRandom X inactivation represents a paradigm for monoallelic gene regulation during early ES cell differentiation. In mice, the choice of X chromosome to inactivate in XX cells is ensured by monoallelic regulation of Xist RNA via its antisense transcription unit Tsix/Xite. Homologous pairing events have been proposed to underlie asymmetric Tsix expression, but direct evidence has been lacking owing to their dynamic and transient nature. Here we investigate the live-cell dynamics and outcome of Tsix pairing in differentiating mouse ES cells. We find an overall increase in genome dynamics including the Xics during early differentiation. During pairing, however, Xic loci show markedly reduced movements. Upon separation, Tsix expression becomes transiently monoallelic, providing a window of opportunity for monoallelic Xist upregulation. Our findings reveal the spatiotemporal choreography of the X chromosomes during early differentiation and indicate a direct role for pairing in facilitating symmetry-breaking and monoallelic regulation of Xist during random X inactivation

Analyse du role de l’organisation nucleaire dans l’inactivation du chromosome X

Chez les mammifères femelles, le processus d’inactivation du chromosome X (XCI) assure la compensation de dose entre les deux sexes. Chez la souris, l’inactivation du X est établie de manière aléatoire dans l’épiblaste au stade blastocyste et peut être récapitulée in vitro dans les cellules souches embryonnaires. L’ARN non-codant Xist, exprimé à partir du centre d’inactivation du X (Xic), est le régulateur principal de ce processus. Il décore en cis le chromosome choisi pour être inactivé et initie la répression de ses gènes. Ainsi, de manière remarquable, les deux chromosomes X sont traités différemment pendant l’initiation de la XCI malgré leur homologie de séquence et leur localisation au sein d’un même noyau. De manière remarquable, ce processus implique le traitement différentiel de deux chromosomes homologues au sein d’un même noyau, avec des changements d’environnements nucléaires et chromatiniens entre le X actif et le X inactif. Il a été proposé que la localisation nucléaire pourrait jouer un rôle important dans l’initiation de l’expression monoallélique des gènes, non seulement pour l’initiation de la XCI mais aussi pour des processus tels que l’exclusion allélique dans les cellules lymphoides. Par exemple, l’association de loci avec des compartiments hétérochromatiques nucléaires et l’association en trans de loci homologues pourraient être impliquées dans la régulation des gènes monoalléliques. Ainsi, j’ai utilisé le système bactérien TetR/TetO afin d’analyser le rôle de l’organisation nucléaire du chromosome X et du Xic dans l’initiation de la XCI. J’ai pu montrer que si le recrutement des protéines de fusion TetR-LaminB1 ou -Cbx5 au niveau de la cassette TetO insérée dans le Xic permet la répression des gènes à proximité, cet évènement n’est pas toujours accompagné d’une relocalisation nucléaire. De plus, l’association forcée du Xic avec la périphérie nucléaire (TetR-LaminB1) n’a pas d’influence sur le choix du chromosome X à inactiver. Enfin, si la relocalisation des deux Xic à la périphérie nucléaire induit une réduction des évènements d’association en trans entre les deux loci, elle n’a pas d’effet sur l’initiation de l’inactivation. En résumé, ces résultats suggèrent que l’organisation nucléaire du chromosome X et du Xic et l’association des Xic en trans ne sont pas des facteurs déterministes pour le choix et l’initiation de la XCI, mais pourraient être le résultat des changements d’expression des gènes liés à l’X au cours de la différenciation des cellules souches ainsi que de l’augmentation de l’expression de Xist.Enfin, j’ai également analysé le rôle de la protéine CTCF, qui a été proposée pour être importante dans l’organisation structurale du génome, dans le contexte du Xic et de l’initiation de l’inactivation. Ainsi, le recrutement de CTCF au niveau de cassette TetO insérée dans le Xic induit localement une réduction mineure des interactions en cis et la répression des gènes du Xic, à l’exception de Xist dont l’expression est augmentée. Pour autant, la présence ectopique de CTCF n’a pas d’incidence majeure sur l’organisation générale du Xic.X-chromosome inactivation (XCI) ensures dosage compensation in female mammals. Random XCI is established in the epiblast of female mouse embryos and can be recapitulated in vitro in differentiating embryonic stem cells (ESCs). The major regulator of XCI is the long non-coding RNA Xist, which is expressed from the X-inactivation center (Xic), covers the chromosome in cis and initiates gene silencing. During XCI, the two X chromosomes are treated very differently, despite their homology and the fact that they reside in the same nucleus. Nuclear localization has been hypothesized to play a role in monoallelic gene regulation, not only during XCI but also in other contexts. For example, association with heterochromatin and homologous trans interactions (“pairing”) have been implicated in the establishment of monoallelic gene expression in lymphoid cells and transient pairing has been suggested to participate in symmetry breaking during random XCI. Using the bacterial tetO/tetR system to alter the subnuclear localization and environment of one or both Xics, we have tested the function of subnuclear localization and trans interactions between the Xic loci during initiation of XCI. Using stable expression and reversible binding of TetR fusion proteins (e.g. LaminB1, Cbx5) we show that binding of these proteins can induce local gene repression and chromatin changes, although this is not always associated with subnuclear relocalization. We further show that the forced association of the Xic with the nuclear envelope, does not impact on the choice-making process during XCI. In particular, tethering both Xics to the nuclear lamina during early ESC differentiation resulted in a substantial reduction of homologous pairing events, but had no obvious impact on the onset of random, monoallelic Xist expression. Taken together, our results suggest that nuclear localization and trans interactions of the Xic may be downstream events rather than causal in the regulation of the XCI process.Furthermore, we recruited CTCF, a protein suggested to be involved in structural organization of the genome, to the Xic using the tetO/tetR system. Upon binding of CTCF the overall structure of the Xic remained unaltered though few cis interactions appeared to be weakened, which was accompanied by gene repression in the Xic. Surprisingly, the only upregulated gene in the Xic was Xist in ESCs and during differentiation, which demonstrates that the induced minor changes of cis interactions might impact on gene regulation in the Xic

RNA methylation by Dnmt2 protects transfer RNAs against stress-induced cleavage

Dnmt2 proteins are the most conserved members of the DNA methyltransferase enzyme family, but their substrate specificity and biological functions have been a subject of controversy. We show here that, in addition to tRNAAsp-GTC, tRNAVal-AAC and tRNAGly-GCC are also methylated by Dnmt2. Drosophila Dnmt2 mutants showed reduced viability under stress conditions, and Dnmt2 relocalized to stress granules following heat shock. Strikingly, stress-induced cleavage of tRNAs was Dnmt2-dependent, and Dnmt2-mediated methylation protected tRNAs against ribonuclease cleavage. These results uncover a novel biological function of Dnmt2-mediated tRNA methylation, and suggest a role for Dnmt2 enzymes during the biogenesis of tRNA-derived small RNAs