The ribosomal DNA (rDNA) locus of Saccharomyces cerevisiae (hereafter called yeast) represents an ideal model system to study the interplay between chromatin and all DNA-dependent processes such as transcription, replication and DNA repair. This multicopy gene locus harbours the 35S ribosomal RNA (rRNA) genes which are transcribed by the specialised RNA polymerase I (Pol I). Importantly, each 35S ...
Abstract (English)
The ribosomal DNA (rDNA) locus of Saccharomyces cerevisiae (hereafter called yeast) represents an ideal model system to study the interplay between chromatin and all DNA-dependent processes such as transcription, replication and DNA repair. This multicopy gene locus harbours the 35S ribosomal RNA (rRNA) genes which are transcribed by the specialised RNA polymerase I (Pol I). Importantly, each 35S rRNA gene exists in either a Pol I transcribed and nucleosome depleted, open chromatin state or a nucleosomal, closed chromatin state. Open rRNA genes guarantee the cell’s supply with structural and catalytic components of the ribosome, whereas closed rRNA genes ensure genomic integrity. In this study, the molecular processes leading to chromatin transitions from the open to the closed chromatin state or vice versa were analysed. To this end, alterations in the 35S rRNA gene chromatin states were investigated in course of the cell cycle and after UV-induced DNA damage and subsequent nucleotide excision repair (NER). The analyses of 35S rRNA chromatin during the cell cycle revealed that the observed balance between open and closed rRNA gene chromatin states in proliferating yeast cells is due to a dynamic equilibrium of transcription-dependent removal and replication-dependent assembly of nucleosomes. Besides, a molecular role for Hmo1, an HMG box protein which is a component of the open 35S rRNA gene chromatin state, could be identified. Hmo1 counteracts replication-independent nucleosome deposition and thereby maintains the open rRNA gene chromatin state outside of S phase. These findings indicate that the opposing effects of replication and transcription lead to a de novo establishment of rRNA gene chromatin states during each cell cycle. The analyses of 35S rRNA gene chromatin states after irradiation of yeast cells with UV light demonstrated that UV induced DNA damage triggers nucleosome assembly at open rRNA genes. In contrast to the situation in non-damaged cells, where Pol I and Hmo1 are exclusively associated with the nucleosome depleted, open rRNA genes, DNA damage induced nucleosome deposition converts the former open rRNA genes to a mixed chromatin state, harbouring Pol I, Hmo1 and nucleosomes. NER is then required for re-opening rRNA gene chromatin in a 5’-3’ gradient. Interestingly, the opening of rRNA genes during NER leads to a higher fraction of open rRNA genes than the one observed in exponentially growing cells before DNA damage. In accordance with the results obtained in the analysis of 35S rRNA gene chromatin during the cell cycle, the latter might be a consequence of DNA damage induced cell cycle arrest.
Translation of the abstract (German)
Der ribosomale DNA (rDNA) Lokus von Saccharomyces cerevisiae (im weiteren Text Hefe genannt) repräsentiert ein ideales Modellsystem um das Zusammenspiel zwischen Chromatin und allen DNA-abhängigen Prozessen, wie z.B. der Transkription, der Replikation und der DNA Reparatur, zu untersuchen. Dieser Multikopien-Genlokus enthält die Gene für die 35S ribosomale RNA (rRNA), die durch die spezialisierte ...
Translation of the abstract (German)
Der ribosomale DNA (rDNA) Lokus von Saccharomyces cerevisiae (im weiteren Text Hefe genannt) repräsentiert ein ideales Modellsystem um das Zusammenspiel zwischen Chromatin und allen DNA-abhängigen Prozessen, wie z.B. der Transkription, der Replikation und der DNA Reparatur, zu untersuchen. Dieser Multikopien-Genlokus enthält die Gene für die 35S ribosomale RNA (rRNA), die durch die spezialisierte RNA Polymerase I (Pol I) transkribiert werden. Jedes dieser 35S rRNA Gene existiert entweder in einem Pol I transkribierten, nahezu nukleosomenfreien, offenen Chromatin-Zustand oder in einem nukleosomalen, geschlossenen Chromatin-Zustand. Offene rRNA Gene garantieren die Versorgung der Zelle mit strukturellen und katalytischen Komponenten des Ribosoms, während geschlossene rRNA Gene die genomische Integrität gewährleisten. In dieser Studie wurden die molekularen Prozesse, welche zu Chromatin-Übergängen vom offenen in den geschlossenen Chromatin-Zustand führen oder vice versa, analysiert. Dazu wurden Änderungen der 35S rRNA Gen Chromatin-Zustände während des Zellzyklus und nach Schädigung der DNA durch UV-Licht und der anschließenden Nukleotid-Exzisionsreparatur (NER) untersucht. Die Analysen des 35S rRNA Gen Chromatins während des Zellzyklus zeigten, dass das Gleichgewicht von offenen und geschlossenen rRNA Gen Chromatin-Zuständen, welches man in proliferierenden Hefezellen beobachten kann, aus dem dynamischen Gleichgewicht von transkriptionsabhängigen Entfernen und der replikationsabhängigen Assemblierung von Nukleosomen resultiert. Außerdem konnte eine molekulare Rolle von Hmo1, einem HMG-Box Protein, das ein Bestandteil des offenen 35S rRNA Gen Chromatin-Zustand ist, identifiziert werden. Hmo1 wirkt der replikationsunabhängigen Nukleosomen-Assemblierung entgegen und hält dadurch den offenen rRNA Gen Chromatin-Zustand außerhalb der S-Phase aufrecht. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die entgegenwirkenden Effekte der Replikation und der Transkription zu einer de novo Etablierung der rRNA Gen Chromatin-Zustände in jedem Zellzyklus führen. Die Analysen der 35S rRNA Gen Chromatin-Zustände nach Bestrahlung von Hefezellen mit UV-Licht zeigten, dass DNA-Schäden, welche durch UV Licht induziert werden, zur Nukleosomen-Assemblierung an offenen 35S rRNA Genen führen. Im Gegensatz zur Situation in nicht bestrahlten Zellen, in der Pol I und Hmo1 ausschließlich mit offenen rRNA Genen assoziiert sind, überführt die durch die Schädigung der DNA induzierte Nukleosomen-Assemblierung, ehemals offene rRNA Gene in einen gemischten Chromatin-Zustand, welcher Pol I, Hmo1 und Nukleosomen enthält. Die NER wird anschließend benötigt um die rRNA Gene in einem 5’-3’ Gradienten wieder zu öffnen. Interessanterweise führt das Öffnen der rRNA Gene während der NER zu einem höheren Anteil offener rRNA Gene als in exponentiell wachsenden Zellen vor Schädigung der DNA. In Übereinstimmung mit den Ergebnissen der Analysen des 35S rRNA Gen Chromatins während des Zellzyklus, könnte dieses Phänomen eine Folge eines Zellzyklusarrests sein, der durch die Schädigung der DNA hervorgerufen wird.
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