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From Genome-wide Probabilistic Functional Networks to a Model for Physical Chromosome Interactions

Li, Songling

German Title: Von probabilistisch-funktionalen Netzwerken des gesamten Genoms zu einem Modell für physikalische Wechselwirkungen in Chromosomen

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Abstract

It’s increasingly clear that the three-dimensional genome organization is dependent on the functional cell activities. In this thesis, the relationships between genome function, gene transcription activities for specific, and genome physical structure are investigated from different perspectives. From genomewide probabilistic functional networks, we develop two different models for the three-dimensional genome architecture in Escherichia coli as well as in Saccharomyces cerevisiae. To begin with, we explore and confirm the correlation between gene transcription and genome organization by investigating the chimeric transcripts induced by the ‘transcription-induced chimerism’ (TIC). Transcription-induced chimeras involve heterogeneous genes localized on different chromosomes, or on the same chromosome with a large genomic distance. When these genes are concurrently transcribed with a spatial proximity, their transcripts are more likely to be ligated as fusion products. By using bioinformatic approaches, we glean and validate chimeric transcripts from the Expressed Sequence Tag (EST) databases of human and mouse, and use them as the probe to identify physical contacts within the same chromosome or between different chromosomes. The chromosomal contact pattern extracted from the identified fusion transcripts is in agreement with the results from other independent experiments. The utilization of the chimeric transcripts in identifying chromosomal physical interactions shed light on the association between genome structure and genome function. In a subsequent step, we postulate and test one prospective mechanism for the formation of chromosomal domains in the prokaryotic organism, E. coli. A genome folding model, which accounts for the role of gene transcriptional regulatory network (TRN) along with the nucleus confinement, is developed. Considering the stochastic nature of TF-promoter binding, we assume that transcription factors (TFs) and corresponding target genes (TGs) could stay in physical proximity for rapid targeting and more efficient regulation. We validate this model via numerical simulations and re-construct the ordering and the precise subnuclear distribution of the genetic loci that are experimentally screened. With this model, we contribute to a deeper understanding of the spatial chromosome organization in E. coli. Last but not least, inspired by the findings from E. coli, we hold that a compatible interacting way between gene transcription and chromosome organization might exist in eukaryotes as well. Different from prokaryotes, eukaryotic organisms undertake their gene transcription and mRNA translation activities within different cell compartments. For this reason, we postulate a functiondependent genome structure model for budding yeast, in which we assume that genes with highly similar transcriptional control profiles might be recruited to the same subnuclear compartment enriched with specific transcription factors for their expression control. We test this idea with a simple eukaryotic organism, S. cerevisiae. The chromosomal interaction patterns and the folding behavior generated by this model are consistent with the experimental observations. We show that the transcriptional regulatory network has a close linkage with the genome organization in budding yeast, which is fundamental and instrumental to later studies on other more complex eukaryotes.

Translation of abstract (German)

Es wird immer deutlicher, dass die dreidimensionale Struktur des Genoms von ihrer Funktion abhängt. In dieser Arbeit wird der Zusammenhang zwischen der Funktion des Genoms, Transkription von Genen für spezifische und der physikalischen Struktur des Genoms aus verschiedenen Blickwinkeln untersucht. Aus genomweiten, probabilistisch-funktionalen Netzwerken entwickeln wir verschiedene Modelle für die dreidimensionale Genomarchitektur in Escherichia coli und Saccharomyces cerevisiae. Als Erstes erkunden und bestätigen wir die Korrelation zwischen Gentranskription und Genomorganisation durch die Untersuchung von chimären Transkripten welche durch ‘transcription-induced chrimerism (TIC)’ hervorgerufen wird. TIC induzierte chimäre Transkripte beinhalten heterogene Gene welche sich auf verschiedenen Chromosomen befinden oder auf demselben Chromosom aber mit einem großen Abstand zueinander. Wenn diese Gene gleichzeitig in räumlicher Nähe zueinander transkribiert werden, so sind ihre Transkripte mit einer höheren Wahrscheinlichkeit zu einem Fusionsprodukt verbunden. Durch einen bioinformatischen Ansatz sammeln und bestätigen wir chimäre Transkripte aus Expression Sequence Tag (EST) Datenbanken für Menschen und Mäuse und benutzen sie als Testproben um räumliche Kontakte innerhalb des selben Chromosoms, oder zwischen verschiedenen Chromosomen zu identifizieren. Die chromosomalen Kontaktmuster, welche aus den fusion transcripts entnommen wurden, waren in übereinstimmung mit Resultaten aus verschiedenen Experimenten. Die Verwendung von chimären Transkripten zur Identifizierung von chromosomalen physikalischen Wechselwirkungen beleuchten die Verbindung zwischen Genomstruktur und genomische Funktion. Danach postulieren und testen wir einen Mechanismus für die Bildung von chromosomalen Domänen im prokaryotischen Organismus E. Coli. Ein GenomFaltungsmodel, welches die Rolle von Gentranskriptionsnetzwerken ebenso wie die Beschränkung durch den Nukleus einbezieht, wird entwickelt. Die stochastische Natur der TF-Promotor-Bindung beachtend nehmen wir an, dass Transkriptionsfaktoren (TFs) und die entsprechenden Target Genes (TGs) für rasches Targeting und effizientere Regulierung in räumlicher Nähe zueinander bleiben könnten. Wir überprüfen das Model mittels numerischen Simulationen und reproduzieren die Ordnung und präzise subnukleare Verteilung von genetischen Loci, welche experimentell gescreent wurden. Mit diesem Modell tragen wir zu einem tieferen Verständnis der räumlichen Organisation in E. Coli bei. Schließlich vermuten wir, inspiriert durch die Ergebnisse für E. Coli, dass eine vergleichbare Art der Wechselwirkung zwischen Gentranskription und Genomorganisation auch in Eukaryoten existieren könnte. Anders als Prokaryoten führen eukaryotische Organismen ihre Gentranskription und mRNA Translation innerhalb von verschiedenen Zellkammern durch. Aus diesem Grund postulieren wir ein funktionsabhängiges Modell für die Genomstruktur in Backhefe, in welchem wir annehmen, dass in eukaryotischen Zellkernen, Gene mit sich stark ähnelnden Transkriptionskontrollprofilen zu den gleichen Subkammern rekrutiert werden, welche mit spezifischen Transkriptionsfaktoren für ihre Expressionskontrolle angereichert sind. Wir testen diese Idee an einem einfachen eukaryotischen Organismus, S. cerevisiae. Chromosomale Wechselwirkungsmuster und Faltungsverhalten welche durch dieses Modell erzeugt werden gleichen den aus Experimenten gewonnenen. Wir zeigen, dass das Transkriptionsregulationsnetzwerk eine starke Verbindung zur Genomorganisation in Backhefe besitzt, was fundamental und hilfreich für spätere Untersuchungen von anderen, komplexeren Eukaryoten ist.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Heermann, Prof. Dr. Dieter W.
Date of thesis defense: 4. July 2012
Date Deposited: 13. Jul 2012 08:00
Date: 2012
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute for Theoretical Physics
Subjects: 530 Physics
Uncontrolled Keywords: Genomarchitektur , chromosomale Schleifen , Genexpression , Transkriptionsfaktoren , transkriptionelle Regulationgenome architecture , chromosomal loops , gene expression , transcription factors , transcriptional regulation
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