Umframerfðastjórnprótein taka þátt í að stjórna mismunandi genatjáningu og koma þannig up sérhæfðu umframerfðamengi í frumum sem allar hafa sama erfðamengið. Það er mikilvægt að skilja hvernig umframerfðamerkjum er stjórnað snemma í fósturþroskun spendýra. Á fyrstu skrefum fósturþroskunar spendýra undirgengst fóstrið alhliða endurröðun umframerfða sem fjarlægir áunnin umframerfðamerki og jafnar út umframerfðamengin í báðum kynfrumum foreldranna. Slík endurröðun umframerfða felur í sér víðamiklar breytinar á histónumörkum ásamt því að fjarlægja og endursetja DNA-metýleringu sem tryggir þroskunarhæfni fóstursins. Skilningur á þeim ferlum sem stjórna endurröðun eða umframerfðastöðu er mikilvægur og hefur þýðingu fyrir umframerfðir, fjölhæfni og umframerfðastjórnun. Til að varpa ljósi á þá ferla sem stjórna heildarfærslum á DNA-metýleringu, var eins-frumu DNA-metýleringar næmu klögugeni byggt á hlutfallslegri tjáningu komið upp. Þetta klögugen var síðan notað í heilmengis CRISPR skimun í stofnfrumum úr fósturvísum músa (mESC). Lykilgen og stjórnferlar sem orsaka heildartap á DNA-metýleringu í frumum voru fundnir og staðfestir. Með þessu fundust yfir 20 gen sem að þegar þau voru slegin út hvert fyrir sig, ollu röskun í að fjarlægja heildar DNA-metýleringu í frumum ásamt því að nánari greining var gerð á hlutverkum Cop1 og Dusp6 í þessu ferli.
Auk þess voru DPPA2 og DPPA4 skilgreind sem nauðsynleg protín til að viðhalda staðbundnu umframerfðaástandi í umframerfðatilfærslum í fjölhæfum frumum. Með því að fjarlægja Dppa2 eða Dppa4 varð tap á H3K4me3 og aukning á DNA-metýleringu á genum með hlutverk í fósturþroska og þróunarfræðilega ungum LINE1 röðum sem DPPA2 binst við. Þessu fylgdi að gen með hlutverk í fósturþroska áunnu sér bælandi umframerfðaminni sem olli því að þessi gen voru ekki virkjuð í síðari vefjasérhæfingu. Þessi aukning á DNA-metýleringu sem var greind gæti verið mikilvæg fyrir stöðuga umframerfðaþöggun á DPPA2 bundnum genum með hlutverk í fósturþroskun og LINE1 röðum, því að fjarlæging á DNA-metýleringu var nóg til að endurvirkja genatjáningu og H3K4me3 að huta til þegar DPPA2 var ekki til staðar. DPPA2/4 móta því umframerfðamengið í fjölhæfum frumum með því að koma upp H3K4me3 og virka gegn aukningu á DNA methyleringu, þetta ferli hefur síðan verið aðlagað að þróunarfræðilega ungum LINE1 to að forðast umframerfðaþöggun í fjölhæfum frumum. Með þessari ritgerð er skilningur okkar aukinn á því hvernig umframerfðamerkjum er bæði stjórnað víðfemt yfir erfðamengið og á staðbundin hátt í erfðamenginu snemma í fósturþroskun til að tryggja þroskunarhæfni.
Epigenetic regulators contribute to the control of distinct gene expression patterns by establishing specialized epigenomes in cells that share the same genome. How epigenetic marks are initially shaped in the early development is of great importance and incompletely understood. During mammalian development, the embryo undergoes genome-wide epigenome remodelling which equalises the distinct parental epigenomes and resets genomic potential. This epigenetic reprogramming requires extensive chromatin modification changes, including DNA methylation erasure and reacquisition, which enables developmental competence. Understanding the mechanisms that mediate either reprogramming or persistence of epigenetic states is currently an outstanding question and has implications for our understanding of inheritance, pluripotency, and epigenetic regulation. To uncover the mechanisms that regulate DNA methylation dynamics, I established a single-cell ratiometric global DNA methylation reporter and coupled it with genome-wide CRISPR screening in murine embryonic stem cells (ESCs) undergoing DNA demethylation transition. Key genes and regulatory pathways that drive global DNA hypomethylation were identified and validated, revealing over 20 gene perturbations that result in impaired global demethylation. I further characterised the roles for Cop1 and Dusp6 in this process in detail.
Additionally, I identified Dppa2 and Dppa4 as essential safeguards of focal epigenetic states during the epigenome transitions associated with pluripotency. Specifically, I found that deletion of Dppa2 or Dppa4 resulted in loss of H3K4me3 and gain of ectopic de novo DNA methylation at developmental genes and evolutionarily young LINE1 elements, which are specifically bound by DPPA2. As a result, developmental genes acquire a repressive epigenetic memory that leads to a failure to induce their appropriate activation in future lineage specification. Furthermore, the gain of DNA methylation might be important for stable epigenetic silencing at DPPA2 bound developmental genes and LINE1 elements as removal of DNA methylation causes their partial reactivation and gain of H3K4me3 in the absence of Dppa2. DPPA2/4 thereby sculpt the pluripotent epigenome by facilitating H3K4me3 and bivalency to counteract de novo methylation, a function co-opted by evolutionarily young LINE1 to evade epigenetic silencing during pluripotency. This thesis represents an advance in our understanding of both how epigenomic states are globally modulated, and how they are established at specific loci, during early development to ensure genome competence multi-lineage differentiation.
