The function of the Gadd45 protein family during pluripotency and differentiation

Abstract

The family of Gadd45 (growth arrest and DNA damage) proteins – Gadd45a, Gadd45b and Gadd45g – has been implicated in active DNA demethylation, but the physiological role of Gadd45-mediated DNA demethylation is not well understood. Here the potentially redundant functions of the Gadd45 genes during pluripotency, early lineage decision and differentiation are investigated. In Gadd45 triple knockout (TKO) mESCs, a subset of methylation regulated genes is downregulated and associated regulatory DNA elements are hypermethylated. Transient overexpression of any single Gadd45 gene in TKOs also reverses gene misexpression, supporting redundant functions of the Gadd45 proteins. Interestingly, upon mESC differentiation, also a downregulation of trophoblast genes is observed. This is corroborated by a deficiency of Gadd45 TKO mESCs to transdifferentiate into the trophoblast lineage upon BMP treatment. Moreover Gadd45 genes are expressed in partially overlapping expression domains during placental development, indicating a role not only during mESC-to-trophoblast transdifferentiation, but also during physiological trophoblast development. In line with this, trophoblast stem cells devoid of Gadd45 genes show a reduced expression of pluripotency genes.

Die Gadd45 Proteinfamilie –Gadd45a, Gadd45b und Gadd45g – wurde in vorangegangenen Studien mit aktiver DNA Demethylierung in Verbindung gebracht, doch die physiologische Rolle dieser Mechanismen ist bisher wenig verstanden. In der vorliegenden Arbeit wurden die potenziell redundanten Funktionen der Gadd45 Proteine in pluripotenten, sowie in differenzierenden embryonalen Mausstammzellen untersucht. In Stammzellen, in denen alle Gadd45 Gene deletiert wurden, erfolgt eine Herunterregulierung von Genen, deren Expression über DNA-Methylierung gesteuert wird. Zudem sind entsprechende regulatorische Elemente hypermethyliert. Diese Fehlregulation kann durch transiente Überexpression eines beliebigen Gadd45 Gens behoben werden. Während der in vitro Differenzierung regulieren Gadd45-defizienten Stammzellen Trophoblast-spezifische Gene nicht herauf. Passenderweise können Gadd45-defiziente Stammzellen nicht experimentell mit Hilfe von BMP zu Trophoblastenzellen transdifferenziert werden. Zudem werden alle Gadd45 Gene auch während der Plazentaentwicklung in teils überlappenden Domänen exprimiert. Dies macht es wahrscheinlich, dass die Gadd45 Gene nicht nur während Transdifferenzierungsprozessen, sondern auch während der normalen Plazentaentwicklung eine Rolle spielen. Stimmigerweise werden in Gadd45-defizienten Trophoblast-Stammzellen Pluripotenzgene heruntereguliert.