Epigenetic regulation of muscle stem cell expansion

Abstract

Adult skeletal muscle stem cells known as satellite cells are normally maintained in a quiescent state and could activate, differentiate in responding to environmental cues thereby being responsible for muscle integrity and regeneration in the lifetime. Deregulation satellite cell homeostasis has been implicated in the pathology of several human muscle diseases. Satellite cells that are identified by the expression of transcription factor Pax7 (Pax7+) originate from highly proliferative Pax7+/MyoD+ progenitor cells during development. Interestingly it has been demonstrated that satellite cells show a chromatin organization which is different from the corresponding precursors or terminally differentiated progenies suggesting that epigenetic regulators might be causally involved in cell fate determination and cell identity control. In this study I demonstrated that the protein arginine methyltransferase 5 (PRMT5), an epigenetic modifier catalyzes symmetric H3R8 dimethylation (H3R8me2) in nucleosomes, is an essential factor for Pax7+ satellite cell homeostasis in adult skeletal muscle. In contrast, PRMT5 is not required for Pax7+ muscle progenitor cell proliferation and differentiation during development and the function of differentiated myotubes in adult skeletal muscle.In adult resting muscle, PRMT5 is highly expressed in quiescent satellite cells. Induced deletion of PRMT5 in Pax7+ satellite cells does not only lead to a massive decline of the number of muscle stem cells during aging, but also completely abolishes muscle regeneration after acute muscle injury. At the cellular level, PRMT5 is required for satellite cell proliferation, early stage of cell differentiation and cell survival upon differentiation ex vivo. Mechanistically PRMT5 directly binds to the p53 binding site at the locus of cell cycle inhibitor p21 gene and induces epigenetic gene silencing by depositing H3R8me2s. The up-regulation of p21 in Prmt5 mutant satellite cells results in an arrest of satellite cell proliferation. Consistently, genetic loss of p21 partially restores the proliferation defects of PRMT5 deficient satellite cells. Importantly, mice with induced ablation of PRMT5 in Pax7+ satellite cell derived differentiated myocytes regenerate skeletal muscle to the same degree wild type mice, suggesting that PRMT5 is dispensable in differentiated myofibers. Furthermore, ablation of PRMT5 in Pax7+ precursors during embryonic development does not alter the precursor cell proliferation and differentiation, indicating that PRMT5 is dispensable for expansion of skeletal muscle progenitor cells and formation of muscle cells during development. Taken together these findings demonstrate a unique and essential role of PRMT5 in satellite cell homeostasis suggesting distinctgenetic and epigenetic requirements for developmental myogenesis and regenerative myogenesis.In addition, I analyzed the role of PRMT5 in muscle regeneration in a murine model of muscular dystrophy. Induced satellite cell specific deletion of PRMT5 in mdx mice, a model lacking dystrophin expression as that in human Muscular Dystrophy (DMD) patients but showing much less severe and representative muscle phenotypes, results in depletion of the muscle stem cell pool, dramatic loss of muscle mass and increase of muscle fibrosis, recapitulating many pathological features of human DMD patients in only 4 months after PRMT5 ablation. This finding demonstrated that PRMT5 mediated epigenetic regulation of regenerative myogenesis has therapeutic implications for human DMD. Further studies will focus on detailed pathophysiological analyses of PRMT5 and mdx double mutant mice and the role of PRMT5 in human DMD. Stammzellen der adulten Skelettmuskulatur, auch als Satellitenzellen bekannt, befinden sich normalerweise in einem Ruhezustand und können als Reaktion auf bestimmte Reize aktiviert werden und differenzieren. Durch diese Aktivierung werden Muskelintegrität und regeneration gesteuert. Störungen der Satellitenzell-Homöostase werden mit Pathologien einiger humaner Muskelerkrankungen in Verbindung gebracht.Satellitenzellen, die durch die Expression des Transkriptionsfaktors Pax7 identifiziert werden (Pax7+), stammen von stark proliferierenden Pax7+/MyoD+-Vorläuferzellen ab, die während der embryonalen Entwicklung gebildet. Es konnte bereits gezeigt werden, dass Satellitenzellen eine andere chromatinorganisation als Vorläuferzellen beziehungsweise terminal differenzierte Nachkommen Unterschiede besitzen. Dies deutet darauf hin, dass epigenetische Regulatoren in der Zelle an der Schicksalsfindung und Zellidentitätskontrolle ursächlich beteiligt sein könnten, genauere Mechanismen sind bisher nicht bekannt. Durch meine durchgeführten Experimente konnte ich zeigen, dass die Protein-Arginin-Methyltransferase 5 (PRMT5)-ein epigenetischer Modifizierer, der die symmetrische H3R8 Dimethylierung (H3R8me2) in Nukleosomen katalysiert - einen wesentlichen Faktor für Pax7+ Satelliten-Zell-Homöostase bei erwachsenen Skelettmuskel darstellt, Andererseits spielt PRMT5 keine Rolle bei der Pax7+ Muskelvorläuferzellproliferation und Differenzierung während der Entwicklung ist.Im adulten ruhenden Muskel wird PRMT5 ruhenden Satellitenzellen stark exprimiert. Induzierte Deletion des PRMT5-Gens in Pax7+ Satellitenzellen führt nicht nur zu einem massiven Rückgang der Anzahl der Muskel-Stammzellen während der Alterung, sondern verhindert die Muskelregeneration nach einer akuten Muskelverletzung. Auf zellulärer Ebene ist PRMT5 für Satellitenzellproliferation, während dem frühen Stadium der Zelldifferenzierung und dem Zellüberleben bei Ex-vivo-Differenzierung erforderlich. PRMT5 bindet direkt an die p53-Bindungsstelle am Gen-Locus des Zellzyklusinhibitors p21 und induziert ein epigenetisches Gen-Silencing durch Anreicherung von H3R8me2s, Was zu eine Arretierung der Satellitenzellproliferation führt. Damit übereinstimmend, konnte durch die genetische Deletion von p21 die beobachtete, verminderte Proliferation von PRMT5-negativen Satellitenzellen wiederhergestellt werden. Wird PRMT5 in aus Pax7+ Satellitenzellen abgeleiteten differenzierten Myotuben durch induzierte Ablation entfernt, so können diese Mäuse nach Muskelschädigung die Muskelfasern regenerieren. DieseRegenerationsfähigkeit ist mit der Wildtyp-Situation vergleichbar und so kann davon ausgegangen werden, dass PRMT5 in differenzierten Myotuben keine signifikante Rolle spielt.Der genetische Verlust von PRMT5 in Pax7-Vorläuferzellen während der embryonalen Entwicklung führt weder zu Veränderungen der Vermehrung noch der Differenzierung dieser Vorläuferzellen, so dass die These unterstützt wird, dass PRMT5 in der Expansion von Skelettmuskulatur-Vorläuferzellen und der Myotom-Bildung während der Entwicklung keine essentielle Funktion ausübt. Die erzielten Ergebnisse weisen eine einzigartige und essentielle Funktion von PRMT5 in der Satellitenzell-Homöostase nach und zeigen, dass PRMT5 in embryonale Muskel-Vorläuferzellen und differenzierten Muskelzellen keine wichtige Rolle spielt. Hieraus ergibt sich, dass die embryonale Muskelentwicklung und die adulte Myogenese auf unterschiedlichen Regulationsmechanismen basieren.In weiteren Experimenten konnte ich eine zentrale Rolle von PRMT5 in der Steuerung der regenerativen Myogenese bei Muskel Dystrophien nachweisen. MDX-Mäuse, die ebenso wie humanen Duchenne-Muskledystrophie (DMD) Patienten, nicht das Dystrophin-Protein Expression, wurde mittels induzierter Deletion PRMT5 in Satellitenzellen entfernt. Dies resultierte in einer kompletten Depletion der Muskel-Stammzell-Population, einem dramatischen Verlust von Muskelmasse und einer erhöhten Muskelfibrose, was verschiedene symptome der humanen DMD nur 4 Monaten nach Induktion des PRMT5-Verlustes rekapituliert. Meine Ergebnisse zeigen, dass PRMT5 ein mögliches Target für die Behandlung der humanen DMD hat. Weitere Studien sind nötig, um die Rolle von PRMT5 in der humanen DMD zu verstehen.