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Hamburg, Carl von Ossietzky

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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-51955
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2011/5195/


Epigenetic Determinants of Latency Establishment by Kaposi’s Sarcoma-Associated Herpesvirus

Einfluss epigenetischer Faktoren auf die Latenzetablierung des Kaposi Sarkom-Assoziierten Herpesvirus

Günther, Thomas

Originalveröffentlichung: (2011) Günther, T. and A. Grundhoff (2010). "The epigenetic landscape of latent Kaposi sarcoma-associated herpesvirus genomes." PLoS Pathog 6(6): e1000935.
pdf-Format:
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SWD-Schlagwörter: Kaposi-Syndrom , B-Zell-Lymphom , Epigenetik , Histon-Methyltransferase , Histon-Acetyltransferase , Histon-Deacetylase , DNS-Chip , Microarray , DNS-
Freie Schlagwörter (Deutsch): KSHV, Kaposi Sarkom-assoziiertes Herpesvirus, HHV8, MeDIP, DNA Methylierung
Freie Schlagwörter (Englisch): KSHV, epigenetic, polycomb, histone modification, DNA methylation
Basisklassifikation: 42.32 , 42.13
Institut: Biologie
DDC-Sachgruppe: Biowissenschaften, Biologie
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Dobner, Thomas (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 29.04.2011
Erstellungsjahr: 2011
Publikationsdatum: 04.07.2011
Kurzfassung auf Englisch: The human pathogenic Kaposi’s sarcoma-associated herpesvirus (KSHV) is etiologically linked to several tumors including Kaposi’s sarcoma (KS) and primary effusion lymphoma (PEL). KSHV exhibits a biphasic life cycle that consists of a lytic and a latent phase. During the lytic phase more than 80 virally encoded open reading frames (ORFs) are expressed in a highly orchestrated fashion, resulting in virus replication, production of viral progeny and ultimately host cell death. During latency the viral DNA persists as an extra-chromosomal circularized episome throughout an indefinite number of cell cycles. In this quiescent state only a small subset of ORFs are expressed, while the vast majority of viral genes are silenced.
Herpesvirus latency establishment is poorly understood but it is generally thought to be governed by epigenetic modifications, i.e. DNA methylation and post-translational histone modifications. In order to investigate the deposition and function of epigenetic marks during latency, a comprehensive spatial and temporal analysis of the viral epigenome was performed by use of high resolution tiling microarrays in conjunction with immunoprecipitation of methylated DNA (MeDIP) and modified histones (ChIP). This analysis revealed highly specific landscapes of epigenetic modifications associated with latent KSHV infection. Interestingly, while episomes exhibited characteristic global patterns of repressive DNA methylation during late stages of latent infection, such patterns were absent at early time points of infection. Thus, DNA methylation is unlikely to control latency establishment. This hypothesis is further substantiated by the observation that this epigenetic mark is absent from the promoter of the immediate-early lytic cycle transactivator Rta/ORF50.
In contrast to DNA methylation, latency-specific histone modification patterns were rapidly established upon a de novo infection. Surprisingly, activating histone marks (H4K9/K14-ac and H3K4-me3) were not confined to regions of latency-associated genes, but were also present at several transcriptionally inactive lytic promoters, including the Rta promoter. Further analysis demonstrated that these promoters are kept silent by the rapid and widespread deposition of the polycomb mediated facultative heterochromatin mark H3K27-me3. This mark is able to repress transcription despite the simultaneous presence of activating marks, a state referred to as “bivalent” chromatin, and characteristic of embryonic stem cells. Reversion of this state at the Rta promoter region results in increased lytic reactivation, supporting the hypothesis that latency represents a meta-stable state of repression that is poised for rapid lytic gene expression. Subsequent analysis demonstrated that first activating marks are present on latent episomes, followed by gradually evolving repressive H3K27-me3 marks. These findings suggest that epigenetically naïve viral DNA is first bound by cellular and/or viral factors that predefine the deposition of activating histone marks, followed by global deposition of H3K27-me3, which progressively stabilizes latent expression patterns and triggers the establishment of DNA methylation to reinforce the latency program at late time points of infection. These results enhance the understanding of latency establishment in chronic infections.
Kurzfassung auf Deutsch: Das humanpathogene Kaposi Sarkom-assoziierte Herpesvirus (KSHV) ist das ätiologische Agens des Kaposi Sarkoms (KS) und des primären Effusionslymphoms (PEL). Der virale Lebenszyklus teilt sich in eine lytische und eine latente Phase. Während der lytischen Phase, die im Tod der Wirtszelle resultiert, führt die kaskadenartige Expression von mehr als 80 viruskodierten offenen Leserahmen (ORFs) zur Replikation des Virusgenoms und zur Produktion infektiöser Viruspartikel. In der latenten Phase hingegen persistiert KSHV für eine unbegrenzte Anzahl an Zellteilungen in Form eines extrachromosomalen und zirkularisierten Episoms im Zellkern der Wirtszelle. Mit Ausnahme weniger latenzassoziierter ORFs wird die Expression viraler Gene in dieser Phase weitgehend reprimiert.
Generell wird angenommen, dass epigenetische Modifikationen (DNA-Methylierung und posttranslationale Histonmodifikationen) an der Genrepression und damit an der Latenzetablierung beteiligt sind. Um diese bislang unzureichend verstandenen Mechanismen detailliert zu untersuchen, wurden umfassende Mikroarrayanalysen in Kombination mit Immunpräzipitationen methylierter DNA (MeDIP) und modifizierter Histone (Chromatin-IP, ChIP) durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass latente Episome in spezifischen Mustern epigenetisch modifiziert sind und dass diese Muster zu unterschiedlichen Zeitpunkten der Latenz etabliert werden. Da Virusgenome in langzeitinfizierten Zellen zwar spezifische DNA-Methylierungsmuster aufwiesen, jedoch in frühen Phasen latenter Infektionen noch nicht methyliert sind, spielt diese Modifikation vermutlich keine oder lediglich eine geringe Rolle während der Latenzetablierung. Diese These konnte auch dadurch gestützt werden, dass die Promotorregion des lytischen Replikationsaktivators Rta/ORF50, dessen Expression die lytische Replikation einleitet, zu keinem Zeitpunkt methyliert vorlag. Sehr viel schneller erfolgte hingegen sowohl die aktivierende als auch die inaktivierende Modifikation von Histonen. Erstaunlicherweise waren aktivierende Modifikationen (H3K9/K14-ac und H3K4-me3) neben latenzassoziierten Regionen auch im Bereich lytischer Promotoren vorhanden. Weitere Analysen ergaben jedoch, dass das Episom während der Latenzetablierung weitreichend mit dem reprimierenden, fakultativen Heterochromatinmarker H3K27-me3 besetzt wird. Die durch Proteine der Polycomb-Gruppe vermittelte Methylierung von H3K27 konstituiert bei simultaner Präsenz aktivierender Modifikation einen „bivalenten“ Chromatinstatus, der z.B. in embryonalen Stammzellen eine schnelle Modulation der Genexpression zulässt. Die Reversion dieses Chromatinzustandes in der Promotorregion von Rta führt zu verstärkter lytischer Replikation und untermauert damit die Hypothese, dass herpesvirale Latenz (durch H3K27-me3 vermittelte Repression) einen metastabilen Zustand repräsentiert, der schnell zugunsten lytischer Reaktivierung verändert werden kann. Diese Analysen weisen darauf hin, dass bei einer Infektion zunächst Wirts- und/oder virale Faktoren an die epigenetisch naive, virale DNA binden und somit aktivierende Modifikationsmuster definieren. Darauffolgend führt H3K27-me3 global zu einer progressiven Stabilisierung des latenten Expressionsmusters, das durch zusätzliche DNA-Methylierung verstärkt werden kann. Diese Ergebnisse erweitern das Verständnis der generellen Mechanismen, die zur Etablierung von Latenz in chronischen Infektionen führen.

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