Genome-wide chromatin regulatory signatures in an ultra-compact chordate genome

Kromatin inneholder genetisk informasjon som kan leses og brukes til å styre en rekke forskjellige funksjoner i celler og organismer. Histon H3 variantene spiller en nøkkelrolle i kromatin. Disse proteinene dikterer hvordan kromatinet settes sammen. og deres post-transkripsjonelle modifiseringer (PTMs) er med på å definere transkripsjonstilstander og spre epigenetisk hukommelse. Vi har vurdert paradigmer som har med hvordan epigenetisk koding langs ekspansive regulatoriske og kodende regioner hos vertebrater også kan gjelde for Oikopleura. Oikopleura er et ryggstrengdyr som har et lite, kompakt genom (70 Mb). Hos dette dyret er de genregulatoriske regionene veldig små sammenlignet med andre dyr. Vi har utviklet en robust Chip-protokoll for forskjellige vev (ovarier og testes isolert fra Oikopleura) og har vurdert resultatene mot høyt-oppløselig hel-genom tilling arrays (basert på Oikopleura-genomet). Vi har karakterisert kromatintilstanden til to forskjellige vev fra Oikopleura (ovarier og testes). Vi har profilert 19 histon-modifikasjoner, i tillegg til RNA-polymerase II-, CTCF- og p300-okkupasjoner, for å definere kromatintilstander innenfor to homogene vev med forskjellige cellecyklusmoduser: Eggstokk med endosyklus «nurse» (støtte)-kjerner; og mitotisk prolifererende kimlinje-kjerner i testikler. «Nurse»-kjerner hadde aktive kromatintilstander som ligner på andre metazoiske epigenomer, med store domener av operon-assosiert transkripsjon, en generell mangel på heterokromatin og en mulig rolle av Polycomb PRC2 i dosekompensasjon. Epigenomet av den hannlige kimlinjen reflekterte et skifte fra vevsspesifikt genuttrykk mot etablering av transgenerasjonsarv og viste egenskaper relatert til den mitotiske celledeling som pågikk i dette vevet. Våre data støtter involvering av et modifisert Polycomb-kompleks i sexkromosom--doseringskompensasjon hos homogametiske hunner. Vi oppdaget også en uvanlig kromatintilstand spesifikk for Y-kromosomet, som kombinerte aktive og heterokromatiske histon-modifikasjoner på bestemte transponable elementklasser, mulig involvert i regulering av deres aktivitet. Forsterkere, promotorer og proteinkodings-gener har bevart epigenomiske egenskaper, med tilpasninger til organisering av en andel av gener i operon-enheter. Sterk sekundær genomkomprimering og forstyrrelse av evolusjonært konservert lineær genomarkitektur i O. dioica har blitt epigenetisk ledsaget av reduserte bredder på kromatinstadium-domener og en generell reduksjon av heterokromatin. Dette arbeidet gir den første omfattende oversikten over et protochordat epigenom, som gir innsikt i organiseringen i to kjønnspesifikke vevsprøver.

Gene regulation, a prevalent theme in modern molecular biology and medicine, is central to coordination of an organism?s development and response to its environment. Histone H3 variants have a key role in chromatin: they dictate modes of chromatin assembl y, and their post-transcriptional modifications (PTMs) are most clearly characterized in defining transcriptional states and propagating epigenetic memory. Examples indicate that H3 variant complements and combinatorial codes of their PTMs can be modified in different organisms. The limited set of biological model systems employed in these studies leaves provocative research challenges to understand how codes might be altered on different genome architectures, in different cell cycle variants, and in diff erent evolutionary lineages. Urochordates are the sister group to vertebrates and they share a sophisticated chordate developmental program. In carrying out these elaborate programs the urochordate Oikopleura genome has been secondarily compacted to 1/50t h of the human genome size. How do paradigms about epigenetic coding along expansive vertebrate regulatory and coding regions play out on a genome where regulatory regions are compressed to near maximal limits compatible with sophisticated gene regulation ? Genome-wide chromatin cartography has essentially been restricted to diploid, somatic, mitotically proliferating cells. Patterns in transcriptionally active germ cells or those in meiosis remain unknown. What happens to codes in cells that exit mitotic and enter endo- cycles? This step often precedes gene mis-regulation and tumorogensis in humans but in Oikopleura it is a main growth strategy and gene expression in cells with 1500 gene copies is as precisely temporally and spatially regulated as in huma n cells with a mere 2. Experiments in this proposal will address these questions and be of direct relevance to the wide community of biology and biomedical researchers studying epigenetic control of gene regulation.