京都大学 / 新制・論文博士 / 博士(医学) / 乙第13566号 / 論医博第2293号 / 新制||医||1068(附属図書館) / 京都大学大学院医学研究科医学専攻 / (主査)教授 柊, 卓志, 教授 篠原, 隆司, 教授 後藤, 慎平 / 学位規則第4条第2項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

TAD-Grenzen sind genomische Regionen mit Isolatorpotenzial, die zwischen benachbarten Chromatindomänen liegen und deren Unterbrechung zu einer pathologischen Genexpression führen kann. Die meisten TAD-Grenzen werden durch das CTCF gebunden, ein Architekturprotein, das Chromatinschleifen bevorzugt zwischen distalen Paaren von CTCF-Bindungsstellen (CBS) mit einer konvergenten Motivausrichtung bildet. An TAD-Grenzen sind die CBS häufig geclustert, wobei die Motive eine divergente Ausrichtung aufweisen und Chromatinschleifen in Richtung der stromaufwärts und stromabwärts gelegenen Regionen projizieren. Wie die CTCF-Besetzung die Isolierung an TAD-Grenzen moduliert, ist immer noch nicht ganz klar. Hier habe ich die regulatorische Logik von CTCF-geclusterten TAD-Grenzen untersucht, indem ich genomweite Analysen und in vivo-Mausexperimente an der Epha4-Pax3-TAD-Grenze kombiniert habe. Analysen einzelner Deletionen zeigten einen deutlichen hierarchischen Beitrag von CBS zur Grenzfunktion. Im Gegensatz dazu zeigten kombinierte CBS-Deletionen ein gewisses Maß an funktioneller Redundanz und Kooperativität zwischen den Stellen. Diese Analysen zeigten auch, dass die abweichende Konfiguration der CBS, die immer wieder an TAD-Grenzen zu finden ist, für eine robuste Isolierung nicht unbedingt erforderlich ist. Genomweite Analysen haben gezeigt, dass es eine Untergruppe von CBS gibt, die unabhängig von der konvergenten Ausrichtung Chromatinschleifen bilden, wofür ich einen Mechanismus der "Schleifeninterferenz" vorschlage. Weitere Vergleiche ergaben, dass das Niveau der Genexpression von den Abständen zwischen Enhancer und Promoter im linearen Genom abhängen könnte. Durch die Quantifizierung der Isolierung der Grenzen, der Pax3-Fehlexpression und der Schwere der Gliedmaßenfehlbildungen konnte ich schließlich zeigen, dass die TAD-Grenzen die Genexpression und den Phänotyp quantitativ beeinflussen. / TAD boundaries are genomic regions with insulator potential located between adjacent chromatin domains, which disruption can cause pathological gene expression. Most TAD boundaries are bound by the CTCF, an architectural protein that forms chromatin loops preferentially between distal pairs of CTCF binding sites (CBSs) with a convergent motif orientation. At TAD boundaries, CBSs are frequently clustered, with motifs displaying a divergent orientation and projecting chromatin loops towards up and downstream regions. How CTCF occupancy modulates insulation at TAD boundaries still remains elusive. Here, I dissected the regulatory logic of CTCF-clustered TAD boundaries by combining genome-wide analysis and in vivo mouse experiments at the Epha4-Pax3 TAD boundary. Analyses of individual deletions revealed a distinct hierarchical contribution of CBS to boundary function. In contrast, combined CBSs deletions revealed a certain degree of functional redundancy and cooperativity between sites. These analyses also demonstrated that the divergent configuration of CBSs, recurrently found at TAD boundaries, is not strictly required for robust insulation. Genome-wide analysis highlighted the existence of a subset of CBSs that establish chromatin loops independently of the convergent orientation bias, for which I propose a mechanism of “loop interference”. This mechanism suggests that CBS forming a robust convergent loop can simultaneously form a non-convergent loop, by stalling Cohesin complexes extruded from both sides. Further comparisons revealed that gene expression levels might depend on enhancer-promoter distances in the linear genome. Finally, by quantifying boundary insulation, Pax3 misexpression and the severity of limb malformation, I demonstrate that TAD boundaries are quantitative modulators of gene expression and phenotypes. Overall, I highlight that TAD boundary composition and strength constitute a fundamental regulatory layer in developmental processes and disease.

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