The role of DNMT3A in gene regulation and stem cell expansion

Baylor College Of Medicine, Houston TX

Investigators

Linked publications & trials

Abstract

PROJECT SUMMARY  DNA methylation is an epigenetic modification that plays a key role in regulating stem cells,  development and many diseases. Abnormal DNA methylation has been observed in cancer for more  than two decades, with many investigations focusing on promoter hypermethylation, which silences  tumor suppressor genes. Additionally, DNMT3A, one of de novo DNA methyltransferases, is  frequently mutated in a spectrum of hematological malignancies. Our lab has demonstrated that  Dnmt3a loss impairs hematopoietic stem cell (HSC) differentiation, while expanding HSC numbers in  bone marrow, suggesting DNMT3A may have a role in tumorigenesis and stem cell regulation.  However, DNA methylation profiling of leukemia patient samples shows DNA methylation correlates  poorly with gene expression across the genome, highlighting our limited understanding of the specific  functions of DNA methylation. Recent studies using a murine model of the most frequent DNMT3A  mutation in hematological malignancies, DNMT3AR882, demonstrated that DNMT3AR882 cooperates  with FLT3-­ITD and NPM1c mutations to contribute to leukemic transformation. Nevertheless, our  knowledge of which remaining DNMT3A mutations lead to leukemogenesis and the mechanisms by  which they contribute to cancer formation remains lacking. Therefore, the long-­term goal of the  proposed research is to understand how DNMT3A affects gene regulation in cancer, and how  DNMT3A mutants predispose stem cell expansion. In Aim 1, I established a novel DNA epigenome  editing tool (dCas9-­SunTag-­DNMT3A system) to investigate the causal relationship between DNA  methylation and gene expression. Using pan-­cancer analysis of genome-­wide profiles, we have  identified DNA hypermethylation occurring in the gene-­body regions of canyons (broad and  undermethylated regions) with activation of corresponding gene expression. In Aim 2, using a  Dnmt3a mutant murine model I developed, I will elucidate the role of one Dnmt3a mutant in priming  stem cell expansion. The findings from this proposed research will shed the light on abnormal DNA  methylation in cancer and molecular mechanisms of DNMT3A-­associated malignancies. Little is  known about how mutations in epigenetic modifiers affect the 3D genomic structure in cancer.  Therefore, in Aim 3, I plan to use my postdoctoral studies to understand how epigenetic modifiers  shape the genomic landscape in cancer and their underlying mechanism. This training program is  tailored to give me a comprehensive education in basic science research that will be extremely useful  in achieving my long-­term career goal of becoming an independent cancer researcher.