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In silico Investigation of Chromatin Organisation in Splicing, Ageing, and Histone Mark Propagation along DNA-Loops

Ruiz Velasco Leyva, Mariana

German Title: In silico Untersuchung der Chromatin-Organisation bei Spleiß-, Aging- und Histonmark-Propagationen entlang von DNA-Loops

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Download (17MB) | Lizenz: Creative Commons LizenzvertragIn silico Investigation of Chromatin Organisation in Splicing, Ageing, and Histone Mark Propagation along DNA-Loops by Ruiz Velasco Leyva, Mariana underlies the terms of Creative Commons Attribution 4.0

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Abstract

A long-standing aim in biology is to elucidate how the genome is tightly compacted inside the eukaryotic nucleus while still retaining its capacity to orchestrate the correct functionality of the cell. While years of research have revealed that this three-dimensional structuring of DNA plays a major role in the transcriptional regulation, most of the existing studies have focused on long-range chromatin interactions, which are mainly established by the CCCTC-binding factor (CTCF), rarely centring at the gene level. Furthermore, our current knowledge on the interplay between structure and function remains largely descriptive with little mechanistic insight. In this dissertation I present three distinct computational studies which integrate multiple levels of molecular phenotype data in an attempt to gain further insights into the influence of chromatin organisation in (i) splicing regulation, (ii) in how distal genetic variants convey their signal, (iii) and an overall view of the misregulation of chromatin compaction in ageing stem cells. Firstly, I describe a novel splicing mechanism whereby CTCF-mediated DNA- loops that are formed within genes facilitate exon inclusion. My results provide substantial evidence that intragenic loops regulate exon usage and that CTCF binding can be affected either by genetic variation across individuals or by the epigenomic landscape in different cell lines. Those exons being CTCF-regulated frequently overlap annotated protein domains and are enriched for being involved in cellular stress-response and signalling pathways. In summary, this study provides strong evidence for alternative exon usage being regulated by chromatin structure, and thus increases our understanding of functional consequences underlying variation in chromatin architecture. In a second study, I show initial efforts to unravel the mechanisms that allow a genetic variant (distal-QTL) to confer its effect at distant regions through long-range interactions. By measuring allele-specific biases of various molecular phenotypes occurring along chromatin interactions, I propose two models that intend to explain the propagation of this signal. In the “touch-and-act model” functionality is transmitted through the physical contact of both anchors, independent of the region inside the loop, while in the “spreading model” the function is propagated along the entire loop resulting in a coordinated activation or repression of the whole local neighbourhood. There is evidence for both models occurring at varying proportions, which are partially explained by transcription factor co-enrichments. Finally, I present a study on how chromatin accessibility impacts the transcriptome and the proteome in mesenchymal stem cells (MSC) from human donors of multiple ages. I also observed a profound misregulation of chromatin organisation occurring with age, possibly due to a decrease in chromatin-related proteins such as histones, CTCF, CENPB, and lamins, which ultimately affect heterochromatin at centromeres and telomeres contributing to genomic instability. By subtle but significant changes in the transcription factor landscape of young and old MSCs, I observe a bias in the differentiation potential. Additionally, I show a loss of bivalent modifications at enhancer and promoter regions that correlate with DNA methylation changes and that could possibly contribute to a decrease in stemness with age. In summary, I describe a novel splicing mechanism mediated by chromatin intragenic interactions, propose models of how distal-QTLs propagate histone marks, and advance the understanding of chromatin accessibility changes occurring with age in stem cells.

Translation of abstract (German)

Ein seit langem bestehendes Ziel in der Biologie ist es aufzuklären, wie das Genom innerhalb des eukaryotischen lang-distanzige kompaktiert ist, während es immer noch seine Fähigkeit beibehält, die korrekte Funktionalität der Zelle zu koordinieren. Während Jahre der Forschung gezeigt haben, dass diese dreidimensionale Strukturierung der DNA eine wichtige Rolle bei der Transkriptionsregulation spielt, konzentrierten sich die meisten der vorliegenden Studien auf langreichweitige Chromatininteraktionen, die hauptsächlich durch den CCCTC-Bindungsfaktor (CTCF) erzeugt werden, was nur selten zentriert auf der Genebene ist. Darüber hinaus bleibt unser derzeitiges Wissen über das Zusammenspiel von Struktur und Funktion weitgehend deskriptiv mit wenig mechanistischen Einsichten. In dieser Dissertation präsentiere ich drei verschiedene Computerstudien, die mehrere Ebenen von molekularen Phänotypdaten integrieren, um weitere Einblicke in den Einfluss der Chromatinorganisation zu erhalten bezüglich der (i) Spleißregulation, (ii) Art und Weise, wie distale genetische Varianten ihr Signal übermitteln und (iii) Gesamtansicht der Fehlregulation der Chromatinveraenderung in alternden Stammzellen. Zunächst beschreibe ich einen neuartigen Spleißmechanismus, bei dem CTCF-regulierte DNA-Schleifen, die in Genen entstehen, die Exon-Inklusion erleichtern. Meine Ergebnisse liefern einen substanziellen Evidenz dafür, dass intragene Schleifen die Exon-Nutzung regulieren und dass die CTCF-Bindung entweder durch genetische Variation über Individuen oder durch die epigenomische Landschaft in verschiedenen Zelllinien beeinflusst werden kann. Diese Exone sind häufig CTCF-reguliert, überlappen häufig mit annotierten Proteindomänen und sind angereichert für Funktionen der zellulären Antwort auf Stress und Signalwegen. Zusammengefasst liefert diese Studie einen starken Evidenz dafür, dass die alternative Exon-Nutzung durch die Chromatinstruktur reguliert wird, und erhöht somit unser Verständnis der funktionellen Konsequenzen, die der Variation in der Chromatinarchitektur zugrunde liegen. In einer zweiten Studie zeige ich ersten Bemühungen, die Mechanismen zu entschlüsseln, die es einer genetischen Variante (distal-QTL) ermöglichen, ihre Wirkung in distalen Regionen durch weitreichende Interaktionen zu erzielen. Durch die Messung allelsspezifischer Ausprägung verschiedener molekularer Phänotypen bezüglich Chromatin-Wechselwirkungen schlage ich zwei Modelle vor, die die Ausbreitung dieses Signals erklären können. Im "Touch-and-Act-Modell" wird die Funktionalität durch den physischen Kontakt beider Interaktionsanker unabhängig von der Region innerhalb der Schleife übertragen, während sich die Funktion im "Ausbreitungsmodell" entlang der gesamten Schleife ausbreitet, was zu einer koordinierten Aktivierung der gesamten lokalen Nachbarschaft führt. Ich habe Evidenz für beide Modelle beobachtet, die in variierenden Anteilen auftreten und teilweise durch Cofaktoren der Transkriptionsfaktoren erklärt werden können. Schließlich stelle ich eine Studie vor, in der beschrieben wird, wie die Zugänglichkeit von Chromatin das Transkriptom und das Proteom in mesenchymalen Stammzellen (MSC) von menschlichen Spendern mehrerer Altersgruppen beeinflusst. Ich beobachtete eine tiefgreifende Fehlregulation der Chromatinorganisation mit zunehmendem Alter, möglicherweise aufgrund einer Abnahme von Chromatin-verwandten Proteinen wie Histonen, CTCF, CENPB und Laminen, die letztlich Heterochromatin in Zentromeren und Telomeren beeinflussen, was zur genomischen Instabilität beiträgt. Durch subtile, aber signifikante Veränderungen in der Transkriptionsfaktor- Landschaft von jungen und alten MSCs beobachte ich eine Verzerrung des Differenzierungspotentials. Zusätzlich habe ich einen Verlust an bivalenten Modifikationen in Enhancer- und Promotorregionen, die mit der DNA-Methylierung korrelieren und möglicherweise zu einer Abnahme der Stammzellfähigkeit mit dem Alter beitragen könnten. Zusammenfassend beschreibe ich einen neuartigen Spleißmechanismus, der durch Chromatin-Interaktionen vermittelt wird, schlage Modelle vor, wie distal-QTL Histone markieren, und verbessere das Verständnis von altersbedingten Zugänglichkeitsveränderungen von Chromatin in Stammzellen.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Korbel, Dr. Jan
Date of thesis defense: 18 September 2018
Date Deposited: 05 Nov 2018 12:33
Date: 2018
Faculties / Institutes: The Faculty of Bio Sciences > Dean's Office of the Faculty of Bio Sciences
Service facilities > European Molecular Biology Laboratory (EMBL)
Subjects: 500 Natural sciences and mathematics
570 Life sciences
Uncontrolled Keywords: Computational biology, Genomics, Epigenetics
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