Understanding the link between chromatin structure, chromosome conformation and gene regulation

Abstract

Understanding the connection between DNA organization in the nucleus, and cell functioning is one of the most intriguing problems in biology. Although many interdisciplinary efforts have been developed for this aim, the mechanisms of DNA folding in such a large scale are largely unknown. Therefore, the complexity of genome structure requires different techniques to tackle several resolution levels. In this thesis, several scales of genome folding are studied using theoretical methods. First, we focus on the DNA sequence dependent properties which define the propensity of specific loci to be recognized by proteins, finding that the flexibility of specific DNA sequences might explain their prevalence in the genome. DNA sequence dependent properties are also important to define the first layer of chromatin organization: the nucleosome. Physical descriptors of the DNA sequence combined with the propensity for transcription factor binding are highly informative on the location of nucleosome depleted regions, which guide the position of +1 and –last nucleosomes, the rest of nucleosomes in the gene body being placed by statistical phasing. There is a clear correlation between transcriptional activity and nucleosome phasing at gene body, the causal relationship is transcription -> nucleosome organization rather than the opposite A package for the comparative analysis of nucleosome organization was also developed in this thesis to quantitative predict changes in nucleosome organization occurring when perturbations are introduced to the cell. Finally, we studied both the changes at the nucleosome level and at larger scale produced by the induction of DNA methylation on a natively unmethylated genome, developing a Hi-C based 3D model to gain insights into the chromatin rearrangements observed. We found very significant changes in chromatin structure induced by methylation, which are reflected in gene expression and cellular phenotype. Interestingly, these changes are found in a model organism that has not proteins prepared to recognize methylation, and accordingly can be assigned to intrinsic (not protein-mediated) effects of methylation.

Comprender la conexión entre la organización del ADN en el núcleo y el funcionamiento celular es uno de los problemas más interesantes en biología. Aunque se han desarrollado muchos esfuerzos interdisciplinarios para esto, los mecanismos de plegamiento del ADN son en gran medida desconocidos. Por lo tanto, la complejidad de la estructura del genoma requiere diferentes técnicas para abordar varios niveles de resolución. En esta tesis, se estudian varias escalas de plegamiento del genoma utilizando métodos teóricos. Primero, nos centramos en las propiedades dependientes de la secuencia de ADN que definen la propensión de regiones específicas a ser reconocidos por las proteínas, descubriendo que la flexibilidad de ciertas secuencias de ADN podría explicar su prevalencia en el genoma. Las propiedades físicas del ADN también son importantes para definir la primera capa de organización de la cromatina: el nucleosoma. Los descriptores físicos de la secuencia de ADN combinados con la propensión a la unión de factores de transcripción son muy informativos sobre la posición de las regiones no afines a la formación de nucleosomas, que guían la posición de los nucleosomas +1 y –último, y el resto de los nucleosomas en el cuerpo del gen se coloca por posicionamiento estadístico. Adicionalmente, encontramos que existe una clara correlación entre la actividad transcripcional y la fase de nucleosomas en el cuerpo del gen. En esta tesis también se desarrolló un paquete para el análisis comparativo de la organización de nucleosomas que permite identificar cuantitativamente los cambios en el posicionamiento de los nucleosomas que ocurren cuando se introducen perturbaciones en la célula. Finalmente, estudiamos tanto los cambios a nivel de nucleosomas como a mayor escala producidos por la inducción de metilación del ADN en un genoma que originalmente no tiene metilación, desarrollando un modelo 3D basado en Hi-C para estudiar la reorganización de la cromatina. Encontramos cambios muy significativos en la estructura de la cromatina inducidos por la metilación, que se reflejan en la expresión génica y el fenotipo celular, en un organismo modelo que no tiene proteínas que reconocen la metilación y, en consecuencia, pueden deberse a los efectos intrínsecos de la metilación.