Redundant and specific functions of histone deacetylases HDAC1 and HDAC2 in brain development

Abstract

Die Steuerung der Proliferation und Differenzierung ist für alle Organismen essentiell, um ihre Integrität und ihr Überleben zu sichern. Während der Entwicklung eines vielzelligen Organismus müssen Zelltyp-spezifische Genexpressionsmuster etabliert und beibehalten werden. Chromatinmodifikationen wie die Histonacetylierung spielen eine entscheidende Rolle in der transkriptionellen Kontrolle und definieren somit die Entwicklung von Organen und Zelltypen. Um den Beitrag der beiden paralogen Histondeacetylasen HDAC1 und HDAC2 im Nervensystem zu untersuchen, deletierten wir verschiedene Kombinationen von Hdac1/2 Allelen der Maus mittels Nestin-Cre. Während individuelle HDAC1 oder HDAC2 Knock-outs zu keinem offensichtlichen Phänotyp führten, zeigten Doppel-Knock-out Mäuse veränderte Chromatin-strukturen, DNA-Schäden, Apoptose und embryonale Letalität. Expression einzelner Hdac1 oder Hdac2 Allele in Abwesenheit des jeweiligen Paralogs führte zu sehr unterschiedlichen Phänotypen, was auf spezifische HDAC1/2 Funktionen im Nervensystem hinweist. Überraschenderweise war ein einziges Hdac2 Allel für normale Entwicklung des Gehirns ausreichend, während Mäuse mit einem einzigen Hdac1 Allel beeinträchtigte Gehirnentwicklung und perinatale Letalität aufwiesen. Dieser Phänotyp erklärte sich durch reduzierte Proliferation und vorzeitige Differenzierung vermittelt durch Überexpression der Protein Kinase C-Delta. Zusammengefasst bedeutet dies, dass HDAC1 und HDAC2 eine gemeinsame Funktion bei der Aufrechterhaltung von intakten Chromatin-strukturen haben und dass HDAC2 eine einzigartige und wichtige Rolle in der Kontrolle der Differenzierung von neuronalen Vorläuferzellen hat. Zur weiteren Analyse der einzelnen Funktionen dieser beiden Enzyme in verschiedenen experimentellen Kontexten entwickelten wir neue Mausmodelle wie HDAC1/2-Biotin Knock-in Mäuse und Knock-in-Mäuse, die katalytisch inaktive HDAC1/2 Isoformen exprimieren. Gemeinsam erlauben diese Mäuse HDAC1/2 Interaktionspartner und assoziierte genomische Sequenzen sowie die Rolle der enzymatischen Aktivität im Vergleich zur strukturellen Funktion zu analysieren.The control of cellular proliferation and differentiation is essential for all organisms to ensure their integrity and survival. During the development of a multicellular organism cell fate decisions have to be taken and lineage-specific gene expression patterns have to be established and maintained. Chromatin modifications including histone acetylation play a crucial role in the control of transcriptional programs that define the development of organs and cell types starting from stem cells and progenitors. To examine the contribution of the two highly related histone deacetylases HDAC1 and HDAC2, we deleted different combinations of Hdac1 and Hdac2 alleles in mouse neural precursor cells by Nestin-Cre. Individual deletions of HDAC1 or HDAC2 did not result in obvious phenotypes, whereas double knock-out mice displayed disturbed chromatin structure, DNA damage, apoptosis and embryonic lethality. Expression of a single allele of Hdac1 or Hdac2 in the absence of the respective paralog led to highly diverse phenotypes, indicating non-redundant functions of the two deacetylases in the nervous system. Surprisingly, a single Hdac2 allele was sufficient for normal brain development, whereas mice with a single Hdac1 allele exhibited impaired brain architecture and perinatal lethality. The disturbed brain development was due to reduced proliferation and premature differentiation mediated by overexpression of protein kinase C delta. Together this indicates a common function of HDAC1 and HDAC2 in maintaining proper chromatin structures and highlights the unique and crucial role of HDAC2 in controlling the fate of neural progenitors during brain development. To further dissect the individual roles of these two enzymes in different contexts and various experimental settings, we designed and generated novel mouse models including HDAC1/2 biotin-tagged knock-in mice and knock-in mouse lines expressing catalytically inactive HDAC1/2 isoforms. HDAC1/2 biotin-tagged knock-in mice can be used for one-step pull-downs under stringent conditions to analyze HDAC1/2 interaction partners and associated genomic sequences. Furthermore, catalytically inactive HDAC1/2 knock-in mice will finally allow studying the contribution of the enzymatic activity in comparison to the scaffolding function of HDAC1/2.submitted by Astrid HagelkrüysZsfassung in dt. SpracheWien, Med. Univ., Diss., 2013OeBB(VLID)278985