Evolutionary insights into primate gene regulation and development of methods to study DNA modifications

Abstract

Changes in the epigenetic regulation of gene expression have important implications for evolution. However, the study of these changes (i) has not been consistently assessed across closely related species, (ii) oftentimes has ignored evolutionarily relevant genomic regions, and (iii) has been limited to specific epigenetic features. In this thesis, we have explored gene regulation through the lens of primate evolution and human populations. Namely, we characterized a panel of lymphoblastoid cell lines (LCL) from five primates and highlighted the particularly relevant role of weak regulatory elements in evolution. We then studied DNA methylation, a particular epigenetic mechanism, in a structurally complex chromosome –the Y chromosome– across 7 major human haplogroups. Finally, we developed an experimental methodology to detect and discriminate different DNA modifications. Specifically, we present EOH-seq and sEM-seq, two complementary methods for the whole-genome study of 5hmC and 5mC that can be applied to a variety of different conditions, cell types, and species.

Els canvis en la regulació epigenètica de l'expressió gènica tenen implicacions importants en l'evolució. No obstant això, l’estudi d’aquests canvis (i) no s'ha avaluat de manera sistemàtica en espècies pròximes, (ii) moltes vegades ha omès regions genòmiques evolutivament rellevants i (iii) s'ha limitat a l’estudi de modificacions epigenètiques específiques. En aquesta tesi, hem explorat la regulació gènica des d’un punt de vista de l’evolució dels primats i les poblacions humanes. Concretament, hem caracteritzat un panell de línies cel·lulars limfoblastoides (LCL) procedents de cinc espècies de primats, destacant la importància dels elements reguladors amb senyals més febles. També ens hem centrat en l’estudi d’un mecanisme epigenètic específic: la metilació de l'ADN. Per això, hem examinat la metilació de l’ADN en un cromosoma estructuralment complex, el cromosoma Y, en 7 haplogrups humans. Finalment, hem acabat aquest treball desenvolupant un mètode per detectar i discriminar diferents modificacions de l'ADN. Específicament, presentem EOH-seq i sEM-seq, dues metodologies complementàries per a l’estudi de les modificacions 5mC i 5hmC al llarg de tot el genoma. Ambdós mètodes són aplicables a diferents condicions, tipus cel·lulars i espècies.