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La chromatine est plus qu’un système d’empaquetage de l’ADN ; elle est le support de toutes les réactions liées à l’ADN dans le noyau des cellules eucaryotes et participe au contrôle de l’accès de l’ARN polymérase II (ARNPolII) à l’ADN. Responsable de la transcription de tous les ARNm des cellules eucaryotes, l’ARNPolII doit, suivant son recrutement aux promoteurs des gènes, transcrire l’ADN en traversant la matrice chromatinienne. Grâce au domaine C-terminal (CTD) de sa sous-unité Rpb1, elle coordonne la maturation de l’ARNm en cours de synthèse ainsi que les modifications de la chromatine, concomitantes à la transcription. Cette thèse s’intéresse à deux aspects de la transcription : la matrice, avec la localisation de la variante d’histone H2A.Z, et la machinerie de transcription avec le cycle de phosphorylation du CTD de l’ARNPolII. Suivant l’introduction, le chapitre 2 de cette thèse constitue un protocole détaillé et annoté de la technique de ChIP-chip, chez la levure Saccharomyces cerevisiae. Cette technique phare dans l’étude in vivo des phénomènes liés à l’ADN a grandement facilité l’étude du rôle de la chromatine dans les phénomènes nucléaires, en permettant de localiser sur le génome les marques et les variantes d’histones. Ce chapitre souligne l’importance de contrôles adéquats, spécifiques à l’étude de la chromatine. Au chapitre 3, grâce à la méthode de ChIP-chip, la variante d’histone H2A.Z est cartographiée au génome de la levure Saccharomyces cerevisiae avec une résolution d’environ 300 paires de bases. Nos résultats montrent que H2A.Z orne un à deux nucléosomes au promoteur de la majorité des gènes. L’enrichissement de H2A.Z est anticorrélé à la transcription et nos résultats suggèrent qu’elle prépare la chromatine pour l’activation des gènes. De plus H2A.Z semble réguler la localisation des nucléosomes. Le chapitre suivant s’intéresse à la transcription sous l’angle de la machinerie de transcription en se focalisant sur le cycle de phosphorylation de l’ARN polymérase II. Le domaine C-terminal de sa plus large sous-unité est formé de répétitions d’un heptapeptide YSPTSPS dont les résidus peuvent être modifiés au cours de la transcription. Cette étude localise les marques de phosphorylation des trois résidus sérine de manière systématique dans des souches mutantes des kinases et phosphatases. Nos travaux confirment le profil universel des marques de phosphorylations aux gènes transcrits. Appuyés par des essais in vitro, ils révèlent l’interaction complexe des enzymes impliqués dans la phosphorylation, et identifient Ssu72 comme la phosphatase de la sérine 7. Cet article appuie également la notion de « variantes » des marques de phosphorylation bien que leur étude spécifique s’avère encore difficile. La discussion fait le point sur les travaux qui ont suivi ces articles, et sur les expériences excitantes en cours dans notre laboratoire. / Chromatin is more than just the eucaryotic DNA packaging system; it is the substrate of all reactions involving DNA in eukaryotic cells and actively regulates RNA Polymerase II (RNAPolII) access to DNA. Responsible for all mRNA transcription in eucaryotes, the RNAPolII must, following its recruitment to the pre-initiation complex, overcome the chromatin barrier in order to transcribe genes. The RNAPolII CTD allows for the co-transcriptional coordination of mRNA maturation and chromatin modifications. The work covered in this thesis addresses two aspects of transcription: the chromatin substrate, with the localization of H2A variant, H2A.Z, and the transcription complex with the phosphorylation cycle of the RNAPolII CTD. Following the introduction, chapter 2 constitutes a detailed and annotated Saccharomyces cerevisiae ChIP-chip protocol, from the culture to the hybridization of the array, with an emphasis on the proper controls required for chromatin study. This technique, extremely powerful for the in vivo study of all DNA transactions, leads to a better understanding of chromatin function in nuclear phenomena, thanks to the localization of histone variants and modifications. The third chapter maps the H2A.Z variant across the yeast genome at ~300 base pairs resolution using ChIP-chip. Our data shows that H2A.Z is incorporated into one or two promoter-bound nucleosomes at the majority of genes. H2A.Z enrichment is anticorrelated with transcription, and the results suggest that it configures chromatin structure to poise genes for transcriptional activation. Furthermore, we have shown that H2A.Z can regulate nucleosome positioning. The next chapter focuses on the transcription machinery and, more precisely, on the phosphorylation cycle of RNAPolII. The CTD contains repetitions of a heptapeptide (YSPTSPS) on which all serines are differentially phosphorylated along genes in a prescribed pattern during the transcription cycle. Here, we systematically profiled the location of the RNAPII phospho-isoforms in wild-type cells and mutants for most CTD modifying enzymes. The results provide evidence for a uniform CTD cycle across genes. Together with results from in vitro assays, these data reveal a complex interplay between the modifying enzymes, identify Ssu72 as the Ser7 phosphatase and show that proline isomerization is a key regulator of CTD dephosphorylation at the end of genes. Moreover, it reinforces the notion of variants of the phosphorylation marks, even though the exact nature of the variant is still difficult to identify. The discussion introduces the studies that followed this work, including new projects conceived in our lab.

Eukaryotic genomes are typically organized as chromatin, the complex of DNA and proteins that forms chromosomes within the cell\\\'s nucleus. Chromatin has pivotal roles for a multitude of functions, most of which are carried out by a complex system of covalent chemical modifications of histone proteins. The propagation of patterns of these histone post-translational modifications across cell divisions is particularly important for maintenance of the cell state in general and the transcriptional program in particular. The discovery of epigenetic inheritance phenomena - mitotically and/or meiotically heritable changes in gene function resulting from changes in a chromosome without alterations in the DNA sequence - was remarkable because it disproved the assumption that information is passed to daughter cells exclusively through DNA. However, DNA replication constitutes a dramatic disruption of the chromatin state that effectively amounts to partial erasure of stored information. To preserve its epigenetic state the cell reconstructs (at least part of) the histone post-translational modifications by means of processes that are still very poorly understood. A plausible hypothesis is that the different combinations of reader and writer domains in histone-modifying enzymes implement local rewriting rules that are capable of \\\"recomputing\\\" the desired parental patterns of histone post-translational modifications on the basis of the partial information contained in that half of the nucleosomes that predate replication. It is becoming increasingly clear that both information processing and computation are omnipresent and of fundamental importance in many fields of the natural sciences and the cell in particular. The latter is exemplified by the increasingly popular research areas that focus on computing with DNA and membranes. Recent work suggests that during evolution, chromatin has been converted into a powerful cellular memory device capable of storing and processing large amounts of information. Eukaryotic chromatin may therefore also act as a cellular computational device capable of performing actual computations in a biological context. A recent theoretical study indeed demonstrated that even relatively simple models of chromatin computation are computationally universal and hence conceptually more powerful than gene regulatory networks. In the first part of this thesis, I establish a deeper understanding of the computational capacities and limits of chromatin, which have remained largely unexplored. I analyze selected biological building blocks of the chromatin computer and compare it to system components of general purpose computers, particularly focusing on memory and the logical and arithmetical operations. I argue that it has a massively parallel architecture, a set of read-write rules that operate non-deterministically on chromatin, the capability of self-modification, and more generally striking analogies to amorphous computing. I therefore propose a cellular automata-like 1-D string as its computational paradigm on which sets of local rewriting rules are applied asynchronously with time-dependent probabilities. Its mode of operation is therefore conceptually similar to well-known concepts from the complex systems theory. Furthermore, the chromatin computer provides volatile memory with a massive information content that can be exploited by the cell. I estimate that its memory size lies in the realms of several hundred megabytes of writable information per cell, a value that I compare with DNA itself and cis-regulatory modules. I furthermore show that it has the potential to not only perform computations in a biological context but also in a strict informatics sense. At least theoretically it may therefore be used to calculate any computable function or algorithm more generally. Chromatin is therefore another representative of the growing number of non-standard computing examples. As an example for a biological challenge that may be solved by the \\\"chromatin computer\\\", I formulate epigenetic inheritance as a computational problem and develop a flexible stochastic simulation system for the study of recomputation-based epigenetic inheritance of individual histone post-translational modifications. The implementation uses Gillespie\\\'s stochastic simulation algorithm for exactly simulating the time evolution of the chemical master equation of the underlying stochastic process. Furthermore, it is efficient enough to use an evolutionary algorithm to find a system of enzymes that can stably maintain a particular chromatin state across multiple cell divisions. I find that it is easy to evolve such a system of enzymes even without explicit boundary elements separating differentially modified chromatin domains. However, the success of this task depends on several previously unanticipated factors such as the length of the initial state, the specific pattern that should be maintained, the time between replications, and various chemical parameters. All these factors also influence the accumulation of errors in the wake of cell divisions. Chromatin-regulatory processes and epigenetic (inheritance) mechanisms constitute an intricate and sensitive system, and any misregulation may contribute significantly to various diseases such as Alzheimer\\\'s disease. Intriguingly, the role of epigenetics and chromatin-based processes as well as non-coding RNAs in the etiology of Alzheimer\\\'s disease is increasingly being recognized. In the second part of this thesis, I explicitly and systematically address the two hypotheses that (i) a dysregulated chromatin computer plays important roles in Alzheimer\\\'s disease and (ii) Alzheimer\\\'s disease may be considered as an evolutionarily young disease. In summary, I found support for both hypotheses although for hypothesis 1, it is very difficult to establish causalities due to the complexity of the disease. However, I identify numerous chromatin-associated, differentially expressed loci for histone proteins, chromatin-modifying enzymes or integral parts thereof, non-coding RNAs with guiding functions for chromatin-modifying complexes, and proteins that directly or indirectly influence epigenetic stability (e.g., by altering cell cycle regulation and therefore potentially also the stability of epigenetic states). %Notably, we generally observed enrichment of probes located in non-coding regions, particularly antisense to known annotations (e.g., introns). For the identification of differentially expressed loci in Alzheimer\\\'s disease, I use a custom expression microarray that was constructed with a novel bioinformatics pipeline. Despite the emergence of more advanced high-throughput methods such as RNA-seq, microarrays still offer some advantages and will remain a useful and accurate tool for transcriptome profiling and expression studies. However, it is non-trivial to establish an appropriate probe design strategy for custom expression microarrays because alternative splicing and transcription from non-coding regions are much more pervasive than previously appreciated. To obtain an accurate and complete expression atlas of genomic loci of interest in the post-ENCODE era, this additional transcriptional complexity must be considered during microarray design and requires well-considered probe design strategies that are often neglected. This encompasses, for example, adequate preparation of a set of target sequences and accurate estimation of probe specificity. With the help of this pipeline, two custom-tailored microarrays have been constructed that include a comprehensive collection of non-coding RNAs. Additionally, a user-friendly web server has been set up that makes the developed pipeline publicly available for other researchers. / Eukaryotische Genome sind typischerweise in Form von Chromatin organisiert, dem Komplex aus DNA und Proteinen, aus dem die Chromosomen im Zellkern bestehen. Chromatin hat lebenswichtige Funktionen in einer Vielzahl von Prozessen, von denen die meisten durch ein komplexes System von kovalenten Modifikationen an Histon-Proteinen ablaufen. Muster dieser Modifikationen sind wichtige Informationsträger, deren Weitergabe über die Zellteilung hinaus an beide Tochterzellen besonders wichtig für die Aufrechterhaltung des Zellzustandes im Allgemeinen und des Transkriptionsprogrammes im Speziellen ist. Die Entdeckung von epigenetischen Vererbungsphänomenen - mitotisch und/oder meiotisch vererbbare Veränderungen von Genfunktionen, hervorgerufen durch Veränderungen an Chromosomen, die nicht auf Modifikationen der DNA-Sequenz zurückzuführen sind - war bemerkenswert, weil es die Hypothese widerlegt hat, dass Informationen an Tochterzellen ausschließlich durch DNA übertragen werden. Die Replikation der DNA erzeugt eine dramatische Störung des Chromatinzustandes, welche letztendlich ein partielles Löschen der gespeicherten Informationen zur Folge hat. Um den epigenetischen Zustand zu erhalten, muss die Zelle Teile der parentalen Muster der Histonmodifikationen durch Prozesse rekonstruieren, die noch immer sehr wenig verstanden sind. Eine plausible Hypothese postuliert, dass die verschiedenen Kombinationen der Lese- und Schreibdomänen innerhalb von Histon-modifizierenden Enzymen lokale Umschreibregeln implementieren, die letztendlich das parentale Modifikationsmuster der Histone neu errechnen. Dies geschieht auf Basis der partiellen Informationen, die in der Hälfte der vererbten Histone gespeichert sind. Es wird zunehmend klarer, dass sowohl Informationsverarbeitung als auch computerähnliche Berechnungen omnipräsent und in vielen Bereichen der Naturwissenschaften von fundamentaler Bedeutung sind, insbesondere in der Zelle. Dies wird exemplarisch durch die zunehmend populärer werdenden Forschungsbereiche belegt, die sich auf computerähnliche Berechnungen mithilfe von DNA und Membranen konzentrieren. Jüngste Forschungen suggerieren, dass sich Chromatin während der Evolution in eine mächtige zelluläre Speichereinheit entwickelt hat und in der Lage ist, eine große Menge an Informationen zu speichern und zu prozessieren. Eukaryotisches Chromatin könnte also als ein zellulärer Computer agieren, der in der Lage ist, computerähnliche Berechnungen in einem biologischen Kontext auszuführen. Eine theoretische Studie hat kürzlich demonstriert, dass bereits relativ simple Modelle eines Chromatincomputers berechnungsuniversell und damit mächtiger als reine genregulatorische Netzwerke sind. Im ersten Teil meiner Dissertation stelle ich ein tieferes Verständnis des Leistungsvermögens und der Beschränkungen des Chromatincomputers her, welche bisher größtenteils unerforscht waren. Ich analysiere ausgewählte Grundbestandteile des Chromatincomputers und vergleiche sie mit den Komponenten eines klassischen Computers, mit besonderem Fokus auf Speicher sowie logische und arithmetische Operationen. Ich argumentiere, dass Chromatin eine massiv parallele Architektur, eine Menge von Lese-Schreib-Regeln, die nicht-deterministisch auf Chromatin operieren, die Fähigkeit zur Selbstmodifikation, und allgemeine verblüffende Ähnlichkeiten mit amorphen Berechnungsmodellen besitzt. Ich schlage deswegen eine Zellularautomaten-ähnliche eindimensionale Kette als Berechnungsparadigma vor, auf dem lokale Lese-Schreib-Regeln auf asynchrone Weise mit zeitabhängigen Wahrscheinlichkeiten ausgeführt werden. Seine Wirkungsweise ist demzufolge konzeptionell ähnlich zu den wohlbekannten Theorien von komplexen Systemen. Zudem hat der Chromatincomputer volatilen Speicher mit einem massiven Informationsgehalt, der von der Zelle benutzt werden kann. Ich schätze ab, dass die Speicherkapazität im Bereich von mehreren Hundert Megabytes von schreibbarer Information pro Zelle liegt, was ich zudem mit DNA und cis-regulatorischen Modulen vergleiche. Ich zeige weiterhin, dass ein Chromatincomputer nicht nur Berechnungen in einem biologischen Kontext ausführen kann, sondern auch in einem strikt informatischen Sinn. Zumindest theoretisch kann er deswegen für jede berechenbare Funktion benutzt werden. Chromatin ist demzufolge ein weiteres Beispiel für die steigende Anzahl von unkonventionellen Berechnungsmodellen. Als Beispiel für eine biologische Herausforderung, die vom Chromatincomputer gelöst werden kann, formuliere ich die epigenetische Vererbung als rechnergestütztes Problem. Ich entwickle ein flexibles Simulationssystem zur Untersuchung der epigenetische Vererbung von individuellen Histonmodifikationen, welches auf der Neuberechnung der partiell verlorengegangenen Informationen der Histonmodifikationen beruht. Die Implementierung benutzt Gillespies stochastischen Simulationsalgorithmus, um die chemische Mastergleichung der zugrundeliegenden stochastischen Prozesse über die Zeit auf exakte Art und Weise zu modellieren. Der Algorithmus ist zudem effizient genug, um in einen evolutionären Algorithmus eingebettet zu werden. Diese Kombination erlaubt es ein System von Enzymen zu finden, dass einen bestimmten Chromatinstatus über mehrere Zellteilungen hinweg stabil vererben kann. Dabei habe ich festgestellt, dass es relativ einfach ist, ein solches System von Enzymen zu evolvieren, auch ohne explizite Einbindung von Randelementen zur Separierung differentiell modifizierter Chromatindomänen. Dennoch ängt der Erfolg dieser Aufgabe von mehreren bisher unbeachteten Faktoren ab, wie zum Beispiel der Länge der Domäne, dem bestimmten zu vererbenden Muster, der Zeit zwischen Replikationen sowie verschiedenen chemischen Parametern. Alle diese Faktoren beeinflussen die Anhäufung von Fehlern als Folge von Zellteilungen. Chromatin-regulatorische Prozesse und epigenetische Vererbungsmechanismen stellen ein komplexes und sensitives System dar und jede Fehlregulation kann bedeutend zu verschiedenen Krankheiten, wie zum Beispiel der Alzheimerschen Krankheit, beitragen. In der Ätiologie der Alzheimerschen Krankheit wird die Bedeutung von epigenetischen und Chromatin-basierten Prozessen sowie nicht-kodierenden RNAs zunehmend erkannt. Im zweiten Teil der Dissertation adressiere ich explizit und auf systematische Art und Weise die zwei Hypothesen, dass (i) ein fehlregulierter Chromatincomputer eine wichtige Rolle in der Alzheimerschen Krankheit spielt und (ii) die Alzheimersche Krankheit eine evolutionär junge Krankheit darstellt. Zusammenfassend finde ich Belege für beide Hypothesen, obwohl es für erstere schwierig ist, aufgrund der Komplexität der Krankheit Kausalitäten zu etablieren. Dennoch identifiziere ich zahlreiche differentiell exprimierte, Chromatin-assoziierte Bereiche, wie zum Beispiel Histone, Chromatin-modifizierende Enzyme oder deren integrale Bestandteile, nicht-kodierende RNAs mit Führungsfunktionen für Chromatin-modifizierende Komplexe oder Proteine, die direkt oder indirekt epigenetische Stabilität durch veränderte Zellzyklus-Regulation beeinflussen. Zur Identifikation von differentiell exprimierten Bereichen in der Alzheimerschen Krankheit benutze ich einen maßgeschneiderten Expressions-Microarray, der mit Hilfe einer neuartigen Bioinformatik-Pipeline erstellt wurde. Trotz des Aufkommens von weiter fortgeschrittenen Hochdurchsatzmethoden, wie zum Beispiel RNA-seq, haben Microarrays immer noch einige Vorteile und werden ein nützliches und akkurates Werkzeug für Expressionsstudien und Transkriptom-Profiling bleiben. Es ist jedoch nicht trivial eine geeignete Strategie für das Sondendesign von maßgeschneiderten Expressions-Microarrays zu finden, weil alternatives Spleißen und Transkription von nicht-kodierenden Bereichen viel verbreiteter sind als ursprünglich angenommen. Um ein akkurates und vollständiges Bild der Expression von genomischen Bereichen in der Zeit nach dem ENCODE-Projekt zu bekommen, muss diese zusätzliche transkriptionelle Komplexität schon während des Designs eines Microarrays berücksichtigt werden und erfordert daher wohlüberlegte und oft ignorierte Strategien für das Sondendesign. Dies umfasst zum Beispiel eine adäquate Vorbereitung der Zielsequenzen und eine genaue Abschätzung der Sondenspezifität. Mit Hilfe der Pipeline wurden zwei maßgeschneiderte Expressions-Microarrays produziert, die beide eine umfangreiche Sammlung von nicht-kodierenden RNAs beinhalten. Zusätzlich wurde ein nutzerfreundlicher Webserver programmiert, der die entwickelte Pipeline für jeden öffentlich zur Verfügung stellt.

Veränderungen in der lokalen Chromatinstruktur beeinflussen die dynamische Regulation von Genen, welche für die Differenzierung notwendig sind. PU.1 ist ein Master-Transkriptionsfaktor in der Hämatopoese und wird streng reguliert, um ein zelllinienspezifisches Expressionsmuster zu erzielen. Hohe Konzentrationen von PU.1 sind für myeloische Differenzierung erforderlich. In B-Zellen wird PU.1 mittelstark exprimiert und muss aktiv runterreguliert werden, um eine Ausdifferenzierung der multipotenten Vorläuferzellen zu T-Zellen zu ermöglichen. Derzeit ist wenig über die Regulierung von PU.1 in T-Zellen bekannt. Darüber hinaus wurde eine abnormale Expression von PU.1 in verschiedenen Leukämieerkrankungen beobachtet. Mittels eines genome-wide Chromatin-Interaktions-Screens konnten wir einen cis-Repressor mit insulierender Kapazität identifizieren, welcher mittels eines Chromatinloops die Promotoraktivität von PU.1 in T-Zellen, jedoch nicht in myeloischen oder B-Zellen blockiert. Sowie Looping als auch Insulation erfordern die Bindung des Chromatin-Regulatorprotein CTCF. Im Gegensatz zu normalen myeloischen Zellen finden wir, dass Krebszellen aus myeloischen Leukämie Patienten diese T-Zell-spezifische repressive Chromatinstruktur aufweisen, was einen räumlichen Kontakt des Insulator mit dem PU.1 Promotor ermöglicht. Die Ergebnisse dieser Arbeit beschrieben das CTCF gesteuerte „long distance looping“ als ein neuer molekularer epigenetischer Mechanismus, um Transkriptionsfaktor PU.1 in T-Zellen runterzuregulieren, und zeigen zum ersten mal, dass Krebszellen die Chromatinstruktur anderer Zelllinien imitieren können, um die Expression von Differenzierungsgenen zu blockieren. / Alterations in the local chromatin structure orchestrate the dynamic regulation of differentiation promoting genes. PU.1 is a master transcription factor in hematopoiesis. PU.1 gene must be tightly regulated to achieve lineage specific expression pattern. High levels of PU.1 are required for myeloid commitment: it is expressed at intermediate level in B-cells and must be actively silenced to permit T cell development from early multipotent progenitors. However, little is known of how PU.1 is regulated in T-cells. Moreover, aberrant PU.1 expressions have been observed in multiple leukemias. Using a genome-wide chromatin interaction screen we identified a cis-repressor with insulating capacity that undergoes long-distant chromatin looping to block PU.1 promoter activity in T cells but not myeloid or B cells. Looping and repression requires binding of the chromatin regulator protein CTCF. In contrast to normal myeloid cells, we found that cancer cells from myeloid leukemia patients adopt the T cell specific repressive chromatin structure bringing the insulator into spatial contact with the PU.1 promoter. These results identify CTCF controlled long-distant insulator looping as a novel mechanism to silence lineage-opposing transcription factor expression, and reveal that cancer cells can mimic the chromatin confirmation of another lineage to block expression of differentiation driving genes.

Die Chromatinstruktur spielt eine bedeutende Rolle bei der Stadien- und Gewebs-spezifischen Genexpression. Der epigenetische Status von Chromatindomänen wird mit Hilfe einer Anzahl von Proteinen und Histonmodifikationen etabliert und aufrechterhalten. Das Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der Bedeutung und Funktion des Chriz Protein Komplexes bei Drosophila, der spezifisch in dekondensierten Regionen von Interphase Chromosomen gebunden ist. Meine RNAi Experimente an embryonalen S2 Zellen zeigten, dass die Rekrutierung von Z4 und der Kinase Jil-1 an das Chromatin sowie dessen H3S10 Phosphorylierung während der Interphase von Chriz abhängt. Diese Ergebnisse lieferten einen starken Hinweis auf eine Ähnlichkeit bei der Bildung des Komplexes in polytänen Zellen und diploiden S2 Zellen. Ich führte eine vergleichende Analyse der Bindungsprofile von Proteinen des Chriz Komplex zwischen Speicheldrüsen im 3.Larvenstadium und S2 Zellen im chromosomalen Intervall 61C7-8 durch. Ich fand heraus, dass die Chriz Bindungsprofile im proximalen Teil der Domäne konserviert waren. Dagegen beobachtete ich eine veränderte Chriz Bindung im distalen Teil, die mit einem veränderten Transkriptionsprofil in dieser Region übereinstimmte. Chriz und Z4 RNAi Experimente in S2 Zellen führten zu einer Veränderung der Expression vieler Chriz- und Z4- bindender Gene. Mittels Co-Immunpräzipitation und Protein „Pull-down“ konnte ich die Bindung der Insulator Proteine BEAF-32 und CP190 im Chriz-Komplex nachweisen und die für die Protein-Protein Interaktion notwendigen Proteinabschnitte grob kartieren. Schließlich überprüfte ich die Möglichkeit einer Rekrutierung des Chriz Komplexes durch BEAF-32 durch Induktion von Punktmutationen in bekannten BEAF-32 Bindemotiven. Meine Ergebnisse wiesen eine Wechselwirkung zwischen Chriz und Insulator Proteinen nach und zeigten, dass der Chriz-Komplex eine wichtige Bedeutung bei der strukturellen Organisation von Chromatin Domänen besitzt. / Chromatin structure is important for the correct stage and tissue-specific expression of the genetic material. The epigenetic state of chromatin domains is established and maintained by a number of proteins and histone modifications. The aim of current thesis is to investigate the role and function of Chriz protein complex, specifically bound to decondensed regions of interphase chromosomes in Drosophila. Several proteins were known to compose Chriz complex - chromodomain protein Chriz, zinc finger protein Z4 and H3S10 kinase Jil-1. I performed RNAi experiments on S2 cells which demonstrated that recruitment of Z4 and Jil-1 kinase to chromatin and interphase H3S10 phosphorylation are dependent on the presence of Chriz. I accomplished the comparative analysis of binding profiles of Chriz complex components between 3rd instar larvae salivary glands and S2 cell culture within 61C7-8 chromosomal interval. I found that Chriz binding profiles between two tissues are conserved at proximal part, however variant Chriz binding in distal part of 61C7-8 domain coincides with differences in transcription profile in the same region. Publicly available genome-wide data shows a tendency of Chriz to bind near Transcription Start Sites (TSS) and promoter regions of active genes. Chriz and Z4 RNAi experiments, performed in S2 cells resulted in expression changes of many Chriz- and Z4-binding genes. Using co-immunoprecipitation and pull-down assays, I identified insulator proteins BEAF-32 and CP190 to be present in the Chriz complex and performed rough mapping of interacting domains. Using BEAF-32 RNAi and introduced point mutations to BEAF-32 binding motifs I examined the possibility for recruitment of Chriz complex by BEAF-32. The obtained results revealed the interplay between Chriz and insulator proteins and point to important architectural role of Chriz complex in organizing chromatin domains.

Polytäne Riesenchromosomen von Drosophila melanogaster bieten ein ideales Modellsystem für die Untersuchung der Mechanismen zur strukturellen Bildung chromosomaler Domänen. Über Manipulation und Rekonstruktion des chromosomalen Bandenmusters polytäner Chromosomen können artifiziell kondensierte als auch dekondensierte Domänen etabliert werden. Diese Eigenschaft habe ich in meiner Arbeit genutzt für die Etablierung eines experimentellen Systems zur Analyse der strukturellen Vorraussetzungen zur Bildung offener Chromatindomänen. Dafür wurde eine transgene kondensierte Chromatindomäne ektopisch innerhalb offenen Chromatins generiert. Diese kondensierte „Modellbande“ bietet einen definierten genetischen Hintergrund für die gezielte Insertion von DNA-Sequenzen unter Ausschluss variabler Positionseffekte und ermöglicht dadurch eine vergleichende Analyse dieser Sequenzen auf ihr Vermögen offenes Chromatin zu bilden. Zu diesem Zweck wurde über Sequenz-spezifische Rekombination die 61C7/8 Interbandensequenz gezielt in die „Modellbande“ eingefügt. Die zytogenetische Untersuchung dieser Insertion zeigt, dass infolge der Insertion offenes Chromatin gebildet wird, was in einer Aufsplittung der kondensierten „Modellbande“ resultiert. Molekulare Analysen weisen darauf hin, dass auch die epigenetischen Charakteristika wie z.B. die Rekrutierung typischer Proteine oder transkriptionelle Eigenschaften zur endogenen Domäne immitiert werden. Über Deletionsanalysen konnte von mir die essentielle DNA-Sequenz zur Bildung offenen Chromatins auf ein ~490bp großes Fragment im proximalen Bereich der 61C7/8 Sequenz kartiert werden. Dieses Fragment überlappt mit Bindungsstellen spezifischer Proteine, welche dafür bekannt sind eine Rolle in der chromosomalen Domänenbildung zu spielen wie z.B. das Chromatin-Protein Chriz, die Histon-Kinase Jil1 oder das Insulator-Protein CP190. Desweiteren überlappt es mit einer Promoterregion, welche zwischen den Genen Rev1 und Med30 lokalisiert ist. / Polytene chromosomes of Drosophila melanogaster provides an ideal model-system for the analysis of the mechanisms needed for chromosomal domain formation. Condensed as well as decondensed chromosomal domains can be formed by manipulating and reconstructing the polytene banding pattern. This possibility i ha-ve used for the establishment of an experimental system to study the structural requirements for open chromatin formation. Therefor i have generated a condensed chromatin domain at ectopic positions. This condensed „model“ domain provides a defined genetic context for the targeted insertion of sequences of interest, excluding any variable position effects. This allows comarative analysis of different sequences in order to identify the structural requirements for open chromatin formation. For this purpose the 61C7/8 interband sequence was targetly integrated into the condensed „model“ domain by site-specific recombination. Thereby i could show that the 61C7/8 interband sequence maintains the capacity to form open chromatin cognizable by the splitting of the condensed „model“ domain. Furthermore the newly formed open chromatin domain also keeps epigenetic characteristica like transcriptional activity or the recruitment of typical proteins. By deletion analysis, i have mapped the essential region needed for open chromatin formation to a ~490bp fragment located in the proximal part of the 61C7/8 interband sequence. This fragment overlaps binding sites for characteristic proteins known to be involved in chromosomal domain formation like the chromatin protein Chriz, the histone kinase Jil1 or the insulator protein CP190. Furthermore the fragment overlaps a promoter region that locates between the Rev1 and Med30 genes.

In der eukaryotischen Ontogenese ist die Etablierung differenzierungsspezifischer Genexpression eng an die Unterteilung des Genoms in funktionell getrennte Domänen gekoppelt. Solche Domänen lassen entweder erhöhte transkriptionelle Aktivität zu oder unterdrücken sie und werden Eu- bzw. Heterochromatin genannt. Heterochromatin enthält spezielle Proteine, die zur Ausbildung dieser repressiven Chromatinstruktur beitragen. Eine der Hauptfragen in der Heterochromatinbiologie ist, wie solche Proteine rekrutiert werden. Dieser Prozess ist entscheidend damit einzelnde Regionen im Genom koordiniert zeit- und ortsabhängig reprimiert werden können. In Saccharomyces cerevisiae entsteht Hetero-chromatin an den silent-mating-type Loci HMRa und HMLalpha durch die zielgerichtete Rekrutierung des Sir-Komplexes über eine Gruppe von Proteinen, die an sogenannte silencer-DNA Sequenzen binden. In diese Arbeit wird gezeigt, daß das Protein Sum1, bisher bekannt als Repressor meiotischer Gene im vegetativen Zellzyklus, als Heterochromatin-Rekrutierungsfaktor für HMLalpha fungiert. Sum1 konnte in vitro und in vivo an HMLalpha über ein funktionelles Element innerhalb des HML-E silencers binden und die Deletion von SUM1 verursachte einen Verlust von Repression an HMLalpha. SUM1 beeinflußte außerdem die Fähigkeit von HML-E als Replikationsstartpunkt (origin) zu agieren, was eine Rolle von Sum1 in der Replikation nahelegt. Die Beobachtung, daß orc2-1 und orc5-1 mit sum1Delta synthetisch lethal waren und daß cdc6-1, cdc7-1 oder cdc45-1 mit sum1Delta einen synthetischen Wachstumsdefekt aufwiesen unterstützt die Vermutung, daß SUM1 eine globale Rolle in der Replikationsinitiation besitzt. In einer genomweiten Suche wurden ARS Elemente gefunden, die sowohl Sum1 als auch ORC rekrutieren. Dabei konnte gezeigt werden, daß die Replikationsaktivität dieser ARS Elemente von Sum1 bzw. Sum1 Bindungsstellen abhängig war. Als Repressor von meiosespezifischen Genen interagiert Sum1 oft mit der Histondeacetylase Hst1. In diesem Zusammenhang konnte gezeigt werden, daß SUM1-regulierte origins ebenfalls HST1 zur vollen Aktivität benötigten. Zusammenfassend schlagen wir Sum1 als neuartigen Modulator für die Replikationsinitiation an einer Untergruppe chromosomaler Replikationsstartpunkte vor. / The division of eukaryotic chromatin into functionally distinct domains is critical to implement gene expression programs that drive the development of multicellular organisms. Regions termed euchromatin exist in the genome that are generally conducive to transcription, whereas heterochromatin contains specialized chromatin binding proteins that repress transcription in these regions. A central question in heterochromatin biology is how the heterochromatin factors are targeted to specific genomic regions, a process that is crucial to ensure that the designated domains, and only they, are repressed in the appropriate spatial and temporal fashion. In Saccharomyces cerevisiae heterochromatinization at the silent mating-type loci HMRa and HMLalpha is achieved by targeting the Sir complex to these regions via a set of anchor proteins that bind to the silencers. Here, we have identified a novel heterochromatin targeting factor for HMLalpha, the protein Sum1, a repressor of meiotic genes during vegetative growth. Sum1 bound both in vitro and in vivo to HMLalpha via a functional element within the HML-E silencer, and deletion of SUM1 caused HMLalpha derepression. Significantly SUM1 was also required for origin activity of HML-E, suggesting a role of Sum1 in replication initiation. Our observations of a synthetic lethality between orc2-1 or orc5-1 and sum1Delta as well as a synthetic growth defect of cdc6-1, cdc7-1 and cdc45-1 with sum1Delta support the notion that SUM1 has a global role in replication initiation. In a genome-wide search for Sum1-regulated origins, we identified a set of autonomous replicative sequences (ARS elements) that bound both the origin recognition complex and Sum1. Full initiation activity of these origins required Sum1, and their origin activity was decreased upon removal of the Sum1 binding site. In its role as a repressor of meiosis specific genes, Sum1 often works in concert with the histone deacetylase Hst1. We found that SUM1-regulated origins also required HST1 for full activity. Taken together we propose that Sum1 is a novel replication initiation modulator for a subset of chromosomal origins.

Die Beschreibung genregulatorischer Ereignisse ist entscheidend um Zelldifferenzierung und -entwicklung zu verstehen. Dynamische Vernderungen der Chromatinstruktur, Histonmodifikationen und das Binden von Transkriptionsfaktoren an Enhancer und Promotoren, koennen mit Hilfe von genomweiten Hochdurchsatz-Sequenziertechniken wie ChIP-Seq, DNase-Seq, ATACSeqund RNA-Seq untersucht werden. In dieser Arbeit entwickele ich mehrere probabilistische Modelle fuer die Analyse von genomweiten Sequenzierungsdaten. Diese umfassen 1. einen Peak-Finder fuer ChIP-/DNase-/ATAC-Seq-Daten, der sich Replikate zunutze macht und praezise Peak-Weiten berechnet, 2. eine Pipeline um das Genom in hoher Aufloesung in eindeutige Klassen von Kombinationen von Histonmodifikationen zu segmentieren, 3. ein Bayes-Netzwerk-Modell welches multiple zeitlich aufgelste Histonmodifikations-ChIP-seq-Daten kombinatorisch clustert Klassen von regulatorischen Elementen zu identifizieren. Mit Hilfe dieser Modelle untersuchen wir die Promotorumgeben und zeigen einen Zusammenhang zwischen Chromatinstruktur und Promotordirektionalitaet. Darueber hinaus verwenden wir ein Modell zur direkten Reprogrammierung von Stammzellen in Motorneuronen durch die gezielte Expression von Transkriptionsfaktoren und analysieren die dadurch induzierten zeitlichen Vernderungen der Chromatinstruktur und Transkriptionsfaktorbindedynamik. Wir beobachten, dass Promotoren verschiedenen Chromatin-Dynamiken zur Aktivierung und Repression folgen, die mit den Chromatin-Dynamiken von Enhancer-Elementen korrelieren. Enhancer hingegen werden durch kooperatives Verhalten direkt induzierter Transkriptionsfaktoren und anderen Faktoren, die in den Stammzellen zu Beginn vorhanden waren oder im Verlaufe der Differenzierung aktiviert wurden, kontrolliert. Diese Arbeit zeigt wie wichtig Chromatin-Dynamik und ihre Beziehung zur Logik von Transkriptionsfaktoren ist, um die Veraenderungen der Genexpression zu verstehen. / Delineating transcription regulatory events is crucial to understand cell differentiation and development. Dynamic changes of chromatin structure, histone modifications and transcription factor binding to enhancers and promotors can be investigated with the aid of genome-wide high-throughput sequencing technologies such as ChIP-Seq, DNase-Seq, ATAC Seq and RNA Seq. In this thesis, I develop several probabilistic models for the analysis of genome-wide sequencing data. These include: 1. a peak finder for ChIP-Seq, DNase-Seq and ATAC Seq data, which exploits biological replicates and accurately demarcates peak widths, 2. a pipeline for high-resolution genome segmentation into unique classes of combinations of histone modifications and 3. a Bayesian network model that can co-cluster multiple time-course histone modification ChIP-Seq data sets into distinct classes of regulatory elements. With the aid of these models we investigate the promoter chromatin environment and show a link between chromatin state and transcription initiation directionality. In addition, we use a system for direct reprogramming of stem cells in motor neurons by the targeted expression of transcription factors to analyse changes in chromatin state and transcription factor dynamics during differentiation. We observe that promoters follow different chromatin dynamics for activation and repression that correlate with the chromatin dynamics of enhancer elements. Enhancers are controlled by cooperative behavior of directly induced transcription factors and other factors present in the stem cells initially, or activated in the course of differentiation. Overall, this work demonstrates the importance of understanding chromatin dynamics and their relationship to transcription factors logic in order to better explain changes in gene expression.

This work explores the equilibrium structure and thermodynamic phase behavior of complexes formed by charged polymer chains (polyelectrolytes) and oppositely charged spheres (macroions). Polyelectrolyte-macroion complexes form a common pattern in soft-matter physics, chemistry and biology, and enter in numerous technological applications as well. From a fundamental point of view, such complexes are interesting in that they combine the subtle interplay between electrostatic interactions and elastic as well as entropic effects due to conformational changes of the polymer chain, giving rise to a wide range of structural properties. This forms the central theme of theoretical studies presented in this thesis, which concentrate on a number of different problems involving strongly coupled complexes, i.e. complexes that are characterized by a large adsorption energy and small chain fluctuations. <br><br> In the first part, a global analysis of the structural phase behavior of a single polyelectrolyte-macroion complex is presented based on a dimensionless representation, yielding results that cover a wide range of realistic system parameters. Emphasize is made on the interplay between the effects due to the polyelectrolytes chain length, salt concentration and the macroion charge as well as the mechanical chain persistence length. The results are summarized into generic phase diagrams characterizing the wrapping-dewrapping behavior of a polyelectrolyte chain on a macroion. A fully wrapped chain state is typically obtained at intermediate salt concentrations and chain lengths, where the amount of polyelectrolyte charge adsorbed on the macroion typically exceeds the bare macroion charge leading thus to a highly overcharged complex. <br><br> Perhaps the most striking features occur when a single long polyelectrolyte chain is complexed with many oppositely charged spheres. In biology, such complexes form between DNA (which carries the cell's genetic information) and small oppositely charged histone proteins serving as an efficient mechanism for packing a huge amount of DNA into the micron-size cell nucleus in eucaryotic cells. The resultant complex fiber, known as the chromatin fiber, appears with a diameter of 30~nm under physiological conditions. Recent experiments indicate a zig-zag spatial arrangement for individual DNA-histone complexes (nucleosome core particles) along the chromatin fiber. A numerical method is introduced in this thesis based on a simple generic chain-sphere cell model that enables one to investigate the mechanism of fiber formation on a systematic level by incorporating electrostatic and elastic contributions. As will be shown, stable complex fibers exhibit an impressive variety of structures including zig-zag, solenoidal and beads-on-a-string patterns, depending on system parameters such as salt concentration, sphere charge as well as the chain contour length (per sphere). The present results predict fibers of compact zig-zag structure within the physiologically relevant regime with a diameter of about 30~nm, when DNA-histone parameters are adopted. <br><br> In the next part, a numerical method is developed in order to investigate the role of thermal fluctuations on the structure and thermodynamic phase behavior of polyelectrolyte-macroion complexes. This is based on a saddle-point approximation, which allows to describe the experimentally observed reaction (or complexation) equilibrium in a dilute solution of polyelectrolytes and macroions on a systematic level. This equilibrium is determined by the entropy loss a single polyelectrolyte chain suffers as it binds to an oppositely charged macroion. This latter quantity can be calculated from the spectrum of polyelectrolyte fluctuations around a macroion, which is determined by means of a normal-mode analysis. Thereby, a stability phase diagram is obtained, which exhibits qualitative agreement with experimental findings. <br><br> At elevated complex concentrations, one needs to account for the inter-complex interactions as well. It will be shown that at small separations, complexes undergo structural changes in such a way that positive patches from one complex match up with negative patches on the other. Furthermore, one of the polyelectrolyte chains may bridge between the two complexes. These mechanisms lead to a strong inter-complex attraction. As a result, the second virial coefficient associated with the inter-complex interaction becomes negative at intermediate salt concentrations in qualitative agreement with recent experiments on solutions of nucleosome core particles. / In dieser Arbeit werden Gleichgewichtsstrukturen und die thermodynamischen Phasen von Komplexen aus geladenen Polymeren (Polyelektrolyten) und entgegengesetzt geladenen Kugeln (Makroionen) untersucht. Polyelektrolyt-Makroion-Komplexe bilden ein grundlegendes und wiederkehrendes Prinzip in der Physik weicher Materie sowie in Chemie und Biologie. In zahlreichen technologischen Prozessen finden sich ebenfalls Anwendungsbeispiele für derartige Komplexe. Zusätzlich zu ihrem häufigen Auftreten sind sie aufgrund ihrer Vielfalt von strukturellen Eigenschaften von grundlegendem Interesse. Diese Vielfalt wird durch ein Zusammenspiel von elektrostatischen Wechselwirkungen sowie elastischen und entropischen Effekten aufgrund von Konformationsänderungen in der Polymerkette bedingt und bildet das zentrale Thema der theoretischen Studien, die mit dieser Arbeit vorgelegt werden. Verschiedene Strukturen und Prozesse, die stark gekoppelte Komplexe beinhalten - das sind solche, für die eine hohe Adsorptionsenergie und geringe Fluktuationen in den Polymerketten charakteristisch sind -, bilden das Hauptthema der Arbeit. <br><br> Basierend auf einer dimensionslosen Darstellung wird im ersten Teil der Arbeit in einer umfassenden Analyse das strukturelle Phasenverhalten einzelner Polyelektrolyt-Makroion-Komplexe behandelt. Der Schwerpunkt wird hier auf das Wechselspiel zwischen Effekten aufgrund der Polyelektrolytkettenlänge, ihrer mechanischen Persistenzlänge, der Salzkonzentration und der Ladung des Makroions gelegt. Die Ergebnisse werden in allgemeinen Phasendiagrammen zusammengestellt, das das Aufwickeln-Abwickeln-Verhalten der Polyelektrolytkette auf einem Makroion beschreibt. Ein Zustand mit komplett aufgewickelter Kette tritt typischerweise bei mittleren Salzkonzentrationen und Kettenlängen auf; häufig ist hier die auf dem Makroion adsorbierte Gesamtladung des Polyelektrolyts größ er als die Ladung des nackten Makroions, d.h. es findet in hohem Grad Ladungsinversion statt. <br><br> Äußerst bemerkenswerte Eigenschaften treten auf, wenn eine einzelne lange Polyelektrolytkette viele, ihr entgegengesetzt geladene Kugeln komplexiert. In biologischen Systemen findet man solche Komplexe zwischen DNS, die die genetische Information einer Zelle trägt, und kleinen, entgegengesetzt geladenen Histonproteinen. Diese Komplexe dienen als effizienter Mechanismus, die groß e Menge an DNS im Mikrometer-groß en Zellkern eukaryotischer Zellen zu komprimieren. Die dadurch erhaltene komplexe Faser, eine Chromatinfaser, hat unter physiologischen Bedingungen einen Durchmesser von nur etwa 30~nm. Neue Experimente haben gezeigt, dass eine räumliche Zickzack-Anordnung einzelner DNA-Histon-Komplexe entlang der Chromatinfaser vorliegt. In der hier vorgelegten Arbeit wird eine numerische Methode vorgestellt, die auf einem einfachen Ketten-Kugel-Zell-Modell basiert und die die systematische Untersuchung des Mechnismus zur Faserbildung ermöglicht, wobei sowohl elektrostatische als auch elastische Wechselwirkungen berücksichtigt werden. Es wird gezeigt, dass stabile Komplexfasern in Abhängigkeit von der Salzkonzentration, der Kugelladung und der Kettenkonturlänge eine Vielfalt von Strukturen aufweisen, darunter Zickzack-, Solenoid- und Perlenkettenformen. Für physiologisch relevante Bedingungen werden mit dieser Methode für DNA-Histon-Komplexe Fasern kompakter Zickzack-Struktur mit einem Durchmesser von etwa 30~nm erhalten. <br><br> Im folgenden Teil wird eine numerische Methode entwickelt, um den Einfluss thermischer Fluktuationen auf Struktur und thermodynamisches Phasenverhalten der Polyelektrolyt-Makroion-Komplexe zu untersuchen. Basierend auf der Sattelpunktsnäherung werden die experimentell beobachteten Reaktionsgleichgewichte in verdünnten Lösungen von Polyelektrolyten und Makroionen systematisch beschrieben. Das Gleichgewicht ist durch einen Verlust an Entropie für die einzelne Polyelektrolytkette durch die Bindung an das entgegengesetzt geladene Makroion gekennzeichnet. Diese Größ e wurde aus dem Spektrum der Polyelektrolytfluktuationen um das Makroion erhalten und mittels einer Analyse der Normalmoden berechnet. Hierüber wird ein Phasendiagramm zur Stabilität der Komplexe erhalten, das qualitativ gute Übereinstimmungen mit experimentellen Ergebnissen aufweist. <br><br> Bei höheren Komplexkonzentrationen müssen auch die Wechselwirkungen zwischen den Komplexen berücksichtigt werden. Es wird gezeigt, dass sich die Struktur der Komplexe bei kleinen Abständen so ändert, dass positiv geladene Bereiche eines Komplexes mit negativ geladenen auf einem Nachbarkomplex räumlich korrelieren. Weiterhin können einzelne Polyelektrolytketten als verbrückendes Element zwischen zwei Komplexen dienen. Dieser Mechanismus führt zu starker effektiver Anziehung zwischen den Komplexen. In Übereinstimmung mit kürzlich durchgeführten Experimenten ist als Folge davon der zweite Virialkoeffizient der Wechselwirkung zwischen Komplexen bei mittleren Salzkonzentrationen negativ.