Text in context : Chromatin effects in gene regulation

Abstract

This thesis reports the study of chromatin composition and conformation on the expression of integrated reporters at thousands of genomic locations in the Drosophila genome. We have adapted and improved a technology (Thousands of Reporters Integrated in Parallel TRIP) to randomly integrate barcoded reporters allowing us to measure the context effects on transcription at ~80.000 different loci. We have focused on housekeeping promoter-reporters due to their relative autonomy from distal regulatory elements. Taking advantage of published genome-wide localization maps of chromatin protein and histone marks, together with the three-dimensional genome structure of the Drosophila Kc167 cell line, we have been able to computationally extract the features that best predict the expression of the integrated reporters. Centromeric heterochromatin is highly silencing but position effects were also observed along chromosome arms, away from heterochromatin. Chromatin states such as Black and Blue (Polycomb, H3K27me3) were found to be refractory to expression while Green (HP1, H3K9me) was found to be permissive or refractory depending on the location. Yellow (MRG15, H3K4me) chromatin was the most permissive while Red (Brm, H3K4me) could also be repressive or activating depending on the integration point. Surprisingly we discovered that the housekeeping reporters are maximally expressed when they land on loci engaging in contacts with promoters and terminators of active genes. The low dependence on enhancers confirms the hypothesis that the requisites for developmental regulation are different that for broadly expressed genes. Moreover our results bring experimental evidence to the observation that housekeeping genes tend to cluster during evolution along the chromatin fiber, providing an explanation to the spatial contacts among these clusters observed in Hi-C experiments.

Esta tesis recoge los resultados del estudio del efecto de la composición y conformación de la cromatina en la expresión génica mediante la integración de miles de reporteros en el genoma de Drosophila. A tal efecto hemos adaptado y mejorado una técnica (Thousands of Reporters Integrated in Parallel, TRIP) permitiendo la integración aleatoria de genes reportero marcados (barcoded) con el fin de medir su expresión dependiente de contexto en ~80.000 loci distintos. Gracias a los numerosos mapas de ocupación a escala genómica de proteínas asociadas a cromatina y marcas de histonas, así como la estructura tridimensional del genoma en la linea celular utilizada Drosophila Kc167, hemos podido extraer las variables que mejor explican la expresión de los genes reportero integrados. La Heterocromatina pericentromérica demostró su capacidad represora aunque los efectos de posición también pudieron observarse en los brazos cromosómicos, lejos de dicha cromatina. Estados de la cromatina como Black y Blue (Polycomb, H3K27me3) se mostraron refractarios a la expresión mientras que la de tipo Green (HP1, H3K9me) demostró tener efecto ambivalente en función del lugar de integración. La cromatina Yellow (MRG15, H3K4me) mostró ser la mas permisiva mientras que la de tipo Red (Brm, H3K4me) evidenció el mismo carácter ambivalente en función del punto de integración. Sorprendentemente descubrimos que los reporteros housekeeping se expresan de forma óptima cuando se integran en loci contactando promotores y terminadores de genes activos. La escasa dependencia de enhancers confirma la hipótesis según la cual los requisitos para la regulación de genes del desarrollo difieren de los utilizados por genes de expresión ubicua. Por ultimo nuestros resultados brindan evidencia experimental a la observación de la agrupación de genes housekeeping a lo largo de la fibra de ADN durante la evolución. De mismo modo aportan una explicación para el elevado numero de contactos que muestran dichas agrupaciones en experimentos Hi-C.