The chromatin architecture in Arabidopsis thaliana - ETH E

Research Collection
Doctoral Thesis
The chromatin architecture in Arabidopsis thaliana
Author(s):
Shu, Huan
Publication Date:
2011
Permanent Link:
https://doi.org/10.3929/ethz-a-006526640
Rights / License:
In Copyright - Non-Commercial Use Permitted
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ETH Library
DISS. ETH NO. 19604
THE CHROMATIN ARCHITECTURE
IN ARABIDOPSIS THALIANA
A dissertation submitted to
ETH ZURICH
for the degree of
Doctor of Sciences
presented by
HUAN SHU
MSc in Plant Genetic Manipulation, University of Nottingham (UK)
born 18th April, 1983
citizen of China
accepted on the recommendation of
Prof. Dr. Wilhelm Gruissem, examiner
Prof. Dr. Lars Hennig, co-examiner
Prof. Dr. Renato Paro, co-examiner
2011
Abstract
DNA accessibility and nucleosome dynamics are two important aspects of chromatin
regulation. During interphase, eukaryotic chromatin is organized into cytologically condensed
(heterochromatin) and loose (euchromatin) regions. The typical heterochromatin regions are often
enriched for repetitive sequences and transposable elements. They are subjected to DNA
methylation, silencing histone modifications and Heterochromatin Protein 1 (HP1) mediated
chromatin packaging in animals. It is believed that the chromatin compaction of the
heterochromatin reduces its accessibility to the transcriptional machinery and therefore helps to
prevent parasitic sequences from being activated and invading the host genome. Furthermore, it has
been proposed that the molecular mechanisms by which Polycomb group (PcG) proteins, whose
major role involves repressing developmentally regulated genes, repress their target genes include
long-distance contacts between binding sites and local chromatin compaction.
In contrast to heterochromatin, gene-rich euchromatin often adapts a more open
conformation. Nucleosomes in euchromatin often carry activating histone modifications and contain
replacement histones that favour higher rates of nucleosome turnover. It is believed that increased
nucleosome dynamics and open chromatin conformation facilitate the accessibility of transcriptional
machineries and other regulatory proteins to DNA. Histone turnover can be measured using the
incorporation of histone variant H3.3. In animals, H3.3 was shown to be targeted to promoters,
active genes, and transcription factor binding sites, and paradoxically, telomeres. H3.3 is
incorporated throughout the cell cycle, and nucleosomes containing H3.3 were shown to be labile.
Therefore, H3.3-nucleosomes might form a molecular memory for increased accessibility of DNA.
Here, I performed genome-wide profiling of chromatin DNase I sensitivity and H3.3
incorporation pattern in interphase cells to interrogate DNA accessibility and dynamics of chromatin
in Arabidopsis thaliana using the former as a measure for chromatin openness and the latter as a
measure for nucleosome turnover. I showed that DNase I hyposensitivity (chromatin compactness)
correlates inversely with the transcriptional activity of genes. Gene-poor pericentric
heterochromatin regions were least accessible while genes with high tri-methylation at histone H3
lysine 4 (H3K4me3) levels were most accessible. We identified three distinct classes of inaccessible
genes: (i) Genes with high levels of H3K9me2 such as transposable element genes. (ii) Polycomb
target genes, which carry H3K27me3. (iii) Very long genes without high levels of H3K9me2 or
H3K27me3 but with DNA methylation. While the first class represents genes from constitutive
heterochromatin, the two other classes might represent facultative heterochromatin in Arabidopsis.
The finding that Polycomb group target genes had greatly reduced accessibility suggests that local
chromatin compaction is a major mechanism of Polycomb group protein-mediated gene silencing.
In the second study, I show that Arabidopsis H3.3 is predominantly incorporated into the
gene-rich chromosome arms, but largely depleted from the pericentric heterochromatin. H3.3 is
mainly enriched at promoters, gene bodies with a 3’-bias, and at post-transcription terminator
regions. Notably, the gene-proximal pattern of H3.3 enrichment correlates with Pol II in the initiation
and elongation state respectively, suggesting an association between Pol II occupancy and increased
nucleosome dynamics. Consistently, genes’ H3.3 levels correlated positively with mRNA levels.
Interestingly, H3.3 was shown to be preferentially targeted to promoters of a group of repressed
genes with GA-motif, and this enrichment seems to potentiate these genes for transcriptional
activation, implicating the involvement of nucleosome turnover in maintaining epigenetic memory
for gene activation.
When integrating the two data sets, a clear pattern emerged: Low DNase I sensitivity (low
accessibility) inversely correlated with high H3.3 level (high nucleosome turnover). Specifically, H3.3
was depleted from the inaccessible genes but enriched in highly accessible genes.
Altogether, this work probed the Arabidopsis chromatin from both a static and a dynamic
point of view. The data gave rise to a model of Arabidopsis chromatin architecture, where the
heterochromatic chromatin is compact, inaccessible and relatively static, while chromatin regions
involved in active transcription are highly accessible and dynamic. Some genes, e.g. when repressed
by PcG proteins, can temporarily assume inaccessible and static chromatin states, which, however,
will likely resolve upon transcriptional activation.
Zusammenfassung
Die Zugänglichkeit des Chromatins und die Dynamik der Nukleosomen sind zwei wichtige
Aspekte der Chromatinregulation. Während der Interphase organisiert sich eukaryotisches
Chromatin in kondensierte (Heterochromatin) und lockere (Euchromatin) Regionen. Die typischen
heterochromatischen Regionen haben eine Anhäufung von sich wiederholenden Sequenzen und
transposablen Elementen. Diese Regionen beinhalten DNA-Methylierungen, dämpfende
Histonmodifikationen und in Tieren Heterochromatin Protein 1 (HP1) vermittelnde
Chromatinpackungen. Es wird angenommen, dass die Chromatinverdichtung des Heterochromatins
die Zugänglichkeit der Transkriptionsmaschinerie reduziert und dadurch die Aktivierung von
parasitären Sequenzen, die in das Wirtsgenom eindringen könnten, zu verhindern hilft. Desweiteren
wird angenommen, dass Polycomb Gruppen (PcG) Proteine, deren Hauptaufgabe es ist,
entwicklungsregulierte Gene zu unterdrücken, über grosse Distanz Kontakte zwischen
Bindungsstellen einführen, und so das Chromatin lokal kompaktieren.
Im Gegensatz zu Heterochromatin ist Euchromatin oft genreich und hat eine offene
Konformation. Nukleosomen im Euchromatin tragen häufig eine aktivierende Histonmodifikation
und besitzen Histonarten die zu einer höheren Nukleosomen-Austauschrate führen. Es wird
angenommen, dass eine höhere Nukleosomdynamik und eine offene Chromatinkonformation die
Zugänglichkeit der Transkriptionsmaschinerie und anderer regulatorischer Proteine zur DNA
vereinfacht. Die Austauschrate der Histone kann durch die Messung der Histonvariante H3.3
definiert werden. In Tieren wurde gezeigt, dass H3.3 gezielt bei Promotoren, aktiven Genen, bei
Bindungsstellen für Transkriptionsfaktoren und paradoxerweise bei Telomeren inkooperiert wird.
H3.3 wird im ganzen Zellzyklus durchgehend inkooperiert und es wurde gezeigt, dass Nukleosomen,
die H3.3 beinhalten, instabil sind. Aus diesem Grund könnte H3.3-Nukleosomen eine Art
Molekulares Gedächtnis für erhöhte DNA-Zugänglichkeit bilden.
In dieser Arbeit führte ich ein genomweites Profiling der DNase I Sensitivität und der H3.3
Inkooperationsmustern in Interphasenzellen, um Antworten auf Zugänglichkeit und Dynamik des
Chromatins in Arabidopsis thaliana zu bekommen, durch. Dafür wurde mit der DNase I Sensitivität,
der Frage der Chromatinzugänglichkeit und mit den H3.3 Inkooperationsmustern deren der
Nukleosomendynamik nachgegangen. Ich konnte zeigten, dass DNase I Hyposensitivität (kompaktes
Chromatin) reziprok mit dem Vorhandensein von transkriptionell aktiven Genen korreliert. Genarme
perizentromerische Heterochromatinregionen waren weniger zugänglich, während Gene mit
vermehrter Trimethylierung an Histon H3 Lysin 4 (H3K4me3) äusserst zugänglich waren. Ich
identifizierte drei unterschiedliche Klassen von nicht zugänglichen Genen: (i) Gene mit hohem
Niveau an H3K9me2, wie transposable Elemente. (ii) Polycomb anvisierte Gene, welche H3K27me3
tragen. (iii) Sehr lange Gene ohne hohem Niveau an H3K9me2 oder H3K27me3, aber mit DNAMethylierung. Während Gene der ersten Klasse konstitutives Heterochromatin repräsentieren,
könnten die zwei anderen Klassen fakultatives Heterochromatin in Arabidopsis repräsentieren. Da
Zielgene, der Polycomb Gruppen Proteine, eine markant reduzierte Zugänglichkeit hatten zeigt, dass
lokale Chromatinkompaktion ein Hauptmechanismus zur Dämpfung der Aktivität von Genen ist,
welche durch Polycomb Gruppen Proteinen vermittelt wird.
In der zweiten Studie zeigte ich, dass Arabidopsis H3.3 hauptsächlich in genreichen
Chromosomarmen inkooperiert wird, aber grösstenteils in perizentrischem Heterochromatin
abwesend ist. H3.3 ist hauptsächlich in Promotoren, Genabschnitten mit 3‘-Tendenz, und in
posttranskriptionellen Terminatoren inkooperiert. Bemerkenswert ist, dass das genproximale
Muster der H3.3 Anreicherung mit Pol II bei der Initiationslage und bei der Elongationslage korreliert,
welches eine Verbindung zwischen Pol II Besetzung und hoher Nukleosomen Dynamik nahe legt.
Dementsprechend stimmt das Gen H3.3 Niveau mit dem mRNA Level überein. Interessanterweise
wurde gezeigt, dass H3.3 bevorzugt bei Promotoren von Gruppen von reprimierten Genen mit GAMotiv inkooperiert wird und diese Anreicherung scheint die transkriptionelle Aktivierung zu
verstärken. Dies impliziert eine Beteiligung des Nukleosomenumsatzes bei der Aufrechterhaltung
des epigenetischen Gedächtnisses für die Genaktivierung.
Wenn diese zwei Datensätze zusammengenommen werden, taucht ein klares Muster auf:
niedrige DNase I Sensitivität (niedrige Zugänglichkeit) invers mit hohem H3.3 Niveau (hohem
Nukleosomenumsatz) korreliert. Hervorzuheben ist, dass H3.3 abwesend in unzugänglichen Genen,
aber angereichert in höchst zugänglichen Genen ist.
Zusammenfassend zeigen meine Experimente das Arabidopsis Chromatin aus einer statischen
und aus einer dynamischen Sicht. Diese Daten geben Einsicht in die Arabidopsis Chromatin
Architektur, in der das heterochromatische Chromatin kompakt ist, unzugänglich und relativ statisch,
während Chromatinregionen, die in aktive Transkription involviert sind, höchst zugänglich und
dynamisch sind. Einige Gene, zum Beispiel solche reprimiert durch PcG Proteine, können temporär
unzugänglich sein und einen ruhenden Chromatinstatus haben. Diese Gene können wahrscheinlich
bei einer transkriptionellen Aktivierung diesen ruhenden Status überwinden.