Eukaryotic DNA is packaged in chromatin, whose repeating subunit, the nucleosome, consists of an octamer of histone proteins wrapped by about 147bp of DNA. This packaging affects the accessibility of DNA and hence any process that occurs on DNA, such as replication, repair, and transcription. An early observation from genome-wide nucleosome mapping in yeast was that genes had a surprisingly characteristic structure, which has motivated studies to understand what determines this architecture. Both sequence and trans acting factors are known to influence chromatin packaging, but the relative contributions of cis and trans determinants of nucleosome positioning is debated. Here we present data using genetic approaches to examine the contributions of cis and trans acting factors on nucleosome positioning in budding yeast. We developed the use of yeast artificial chromosomes to exploit quantitative differences in the chromatin structures of different yeast species. This allows us to place approximately 150kb of sequence from any species into the S.cerevisiae cellular environment and compare the nucleosome positions on this same sequence in different environments to discover what features are variant and hence regulated by trans acting factors. This method allowed us to conclusively show that the great preponderance of nucleosomes are positioned by trans acting factors. We observe the maintenance of nucleosome depletion over some promoter sequences, but partial fill-in of NDRs in some of the YAC v promoters indicates that even this feature is regulated to varying extents by trans acting factors. We are able to extend our use of evolutionary divergence in order to search for specific trans regulators whose effects vary between the species. We find that a subset of transcription factors can compete with histones to help generate some NDRs, with clear effects documented in a cbf1 deletion mutant. In addition, we find that Chd1p acts as a potential “molecular ruler” involved in defining the nucleosome repeat length differences between S.cerevisiae and K.lactis. The mechanism of this measurement is unclear as the alteration in activity is partially attributable to the N-terminal portion of the protein, for which there is no structural data. Our observations of a specialized chromatin structure at de novo transcriptional units along with results from nucleosome mapping in the absence of active transcription indicate that transcription plays a role in engineering genic nucleosome architecture. This work strongly supports the role of trans acting factors in setting up a dynamic, regulated chromatin structure that allows for robustness and fine-tuning of gene expression.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / CXXC finger protein 1 (Cfp1), a component of the Set1 histone methyltransferase complex, is a critical epigenetic regulator of both histone and cytosine methylation. Murine embryos lacking Cfp1 are unable to gastrulate and Cfp1-null embryonic stem (ES) cells fail to undergo cellular differentiation in vitro. However, expression of wild type Cfp1 in Cfp1-null ES cells rescues differentiation capacity, suggesting that dynamic epigenetic changes occurring during lineage specification require Cfp1. The domain structure of Cfp1 consists of a DNA binding CXXC domain and an N-terminal plant homeodomain (PHD). PHDs are frequently observed in chromatin remodeling proteins, functioning as reader modules for histone marks. However, the histone binding properties and underlying functional significance of Cfp1 PHD are largely unknown. My research revealed that Cfp1 PHD directly and specifically binds to histone H3K4me1/me2/me3 marks. A point mutation that abolishes binding to methylated H3K4 (W49A) does not affect rescue of cellular differentiation, but, point mutations that abolish both methylated H3K4 (W49A) and DNA (C169A) binding result in defective in vitro differentiation, indicating that PHD and CXXC exhibit redundant functions. The mammalian liver has the unique ability to regenerate following injury. Previous studies indicated that Cfp1 is essential for hematopoiesis in zebrafish and mice. I hypothesized that Cfp1 additionally plays a role in liver development and regeneration. To understand the importance of Cfp1 in liver development and regeneration, I generated a mouse line lacking Cfp1 specifically in the liver (Cfp1fl/fl Alb-Cre+). Around 40% of these mice display a wasting phenotype and die within a year. Livers of these mice have altered global H3K4me3 levels and often exhibit regenerative nodules. Most importantly, livers of these mice display an impaired regenerative response following partial hepatectomy. Collectively, these findings establish Cfp1 as an epigenetic regulator essential for ES cell function and liver homeostasis and regeneration.

Der Systemische Lupus Erythematodes (SLE) ist eine meist schwer verlaufende Autoimmunerkrankung, die jedes Organ betreffen kann. Trotz zahlreicher und intensiver Anstrengungen die Pathophysiologie des SLE aufzuklären, wird sie aktuell nur in ihren Grundzügen verstanden. Eine Vielzahl zellulärer und molekularer Auffälligkeiten wurden in verschiedenen Immunzellen von Patienten mit SLE beschrieben, wobei die gesteigerte Aktivierung von T und B Zellen ist ein Schlüsselmerkmal ist. Verschiedene Auffälligkeiten der T Zell Funktion wurden in den vergangenen Jahren berichtet, unter anderem die gesteigerte Expression und Aktivierung verschiedener Transkriptionsfaktoren, darunter cAMP Responsive Element Modulator (CREM)α und Signal Transducer and Activator of Transcription (Stat)3. Eine Rolle von CREMα bei der Entstehung von Effektor T Zell Phänotypen bei Patienten mit SLE wurde in Studien belegt. Die gesteigerte Expression von CREMα ist (zumindest teilweise) für die gesteigerte Expression von IL-17A und die reduzierte Expression von IL-2 verantwortlich, welche für die Pathogenese und die Entstehung von Gewebeschäden mitverantwortlich sind. Neben gut charakterisierten CD4+ Effektor T Zellen, spielen TCR+CD3+CD4-CD8-, sogenannte „doppelt negative“ (DN) T Zellen, eine Rolle in der Pathophysiologie des SLE. Die Zahl DN T Zellen ist im peripheren Blut von SLE Patienten gesteigert. DN T Zellen infiltrieren entzündete Gewebe, insbesondere die Nieren, wo sie IL-17A exprimieren und zu Gewebeschäden beitragen können. Da DN T Zellen durch den Verlust der Oberflächenexpression des CD8 Co-Rezeptors aus CD8+ T Lymphozyten hervorgehen können, stellte wir die Frage, ob CREMα an diesem Prozess beteiligt ist. In den vorliegenden Studien konnten wir zeigen, dass CREMα an hochkonservierte nichtkodierende Sequenzen des CD8 Gen Clusters bindet und den CD8B Promoter trans-reprimiert. CREMα stellt damit den ersten berichteten Transkriptionsfaktor dar, der zu trans-Repression von CD8 führt. Zudem co-rekrutiert CREMα die DNA Methyltransferase DNMT3a und die Histon Methyltransferase G9a an hochkonservierte nichtkodierende Elemente des CD8 Gen Clusters in CD8+ T Zellen. Hierdurch trägt CREMα zur Chromatinkondensation, folglich reduzierter CD8 Expression und letztendlich der Generierung von DN T Zellen bei. Da die Expression von CREMα sowohl in T Zellen von SLE Patienten als auch in T Zellen von MRL.lrp Mäusen gesteigert ist, könnten die beschriebenen Effekte auf die CD8 Expression eine Rolle für eine Reihe von Autoimmunerkrankungen spielen, die mit einer erhöhten Zahl von DN T Zellen einhergehen (z.B. Patienten mit Autoimmune Lymphoproliferative Syndrome; ALPS). Proteine der Stat Transkriptionsfaktor Familie spielen eine Rolle während der Differenzierung und Aktivierung von Effektor T Zellen. Speziell die Transkriptionsfaktoren Stat3 und Stat5 scheinen für das Gleichgewicht zwischen Th17 Effektor Phänotypen (Stat3) und regulatorischen T Zellen (Stat5) von Bedeutung zu sein. Stat3 spielt eine wichtige Rolle bei der Differenzierung von IL-17A produzierenden CD4+ Th17 Helferzellen, welche eine pathophysiologische Rolle beim SLE spielen. Durch die Aktivierung der Expression weiterer Zytokine (z.B. IL-6, IL-10, und IL-21) in verschiedenen T Lymphozytenpopulationen, sind die Effekte von Stat3 nicht auf die genannten T Helferzellpopulationen beschränkt. Interleukin-10 ist ein immunregulatorisches Zytokin, welches neben seinen anti-inflammatorischen Effekten auch zur Aktivierung von B Lymphozyten und Antikörperproduktion beiträgt. Eine mögliche Pathophysiologische Rolle von IL-10 beim SLE ergibt sich aus gesteigerten IL-10 Serumspiegeln in SLE Patienten und nicht zuletzt aus einer kleinen Kohorte von SLE Patienten, die klinische Besserung nach therapeutischer Blockade von IL-10 erfahren hatte. Wie IL17A, wird auch IL10 durch Transkriptionsfaktoren der Stat Familie kontrolliert. Da die Expression und Aktivierung von Stat3 in T Zellen von SLE Patienten gesteigert ist, untersuchten wir am Beispiel des IL10 Gens Effekte von fehlregulierter Stat Aktivierung. Wir konnten zeigen, dass Stat3 und Stat5 das IL10 Gen durch trans-Aktivierung und die Induktion von epigenetischen Remodeling durch die Co-Rekrutierung von p300 regulieren. Der transkriptionelle Co-Aktivator p300 besitzt Histon Azetyltransferase Aktivität und induziert die „Öffnung“ des IL10 Gens. In T Zellen von SLE Patienten ist die Rekrutierung von Stat3 durch reduzierte DNA Methylierung am proximalen Promoter und einem intronischen Enhancer (I-SRE) erleichtert. Zudem verdrängt Stat3 den Transkriptionsfaktor Stat5 von einem Bindungselement im 4. Intron (I-SRE) des IL10 Gens. Zusammen führen diese Ereignisse zu gesteigerter Expression von IL-10 in T Zellen von SLE Patienten. Da die Aktivierung von Stat3 zu gesteigerter Expression einer Reihe von Zytokinen beträgt und die Stat3 Aktivierung sowohl beim SLE als auch bei anderen Autoimmunerkrankungen gesteigert ist, könnten die beschriebenen Effekte nicht nur auf die Expression von IL-10 in T Zellen von SLE Patienten beschränkt sein. Unsere Beobachtungen unterstreichen das Potenzial fehregulierte Transkriptionsfaktoren, speziell CREMα und Stat3, als Biomarker und/oder therapeutische Ziele beim SLE zu nutzen. Es bleibt jedoch an dieser Stelle noch zu klären, ob CREMα und/oder Stat3 auch Chromatin Remodeling während der physiologischen Generierung von DN oder CD4+ T Helfer Zellen kontrollieren oder ob sie ausschließlich oder zumindest in gesteigertem Maße an der pathologischen Generierung von Effektor T Zellen bei Autoimmunerkrankungen beteiligt sein. Die translationale Bedeutung unserer Beobachtungen wird durch den neuerdings begonnenen Einsatz von JAK/Stat Inhibitoren in der Therapie verschiedener Autoimmunerkrankungen unterstrichen. / Systemic lupus erythematosus (SLE) is a severe autoimmune disease that can affect any organ of the human body. Despite intense efforts towards a better understanding, the pathophysiology of SLE remains largely unknown. A number of cellular and molecular anomalies have been reported in immune cells from patients with SLE, and increased activation of B and T lymphocytes are considered hallmarks of the disease. Several alterations to T cell function and phenotypes have been reported, including the increased expression of the transcription factors cAMP response element modulatorα (CREM α) and signal transducer and activator of transcription 3 (Stat3). A role of CREMα in the generation of effector T cells has been demonstrated. Enhanced expression of CREMα is (at least partially) responsible for increased expression of IL-17A and reduced expression of IL-2 from effector T cells in SLE patients; and altered cytokine expression contributes to the pathophysiology and tissue damage. In addition to well-characterized effector CD4+ T cells, TCR+CD3+CD4-CD8-, so-called “double negative” (DN) T cells, also play a role in the pathophysiology of SLE. Increased numbers of DN T cells in the peripheral blood of SLE patients invade inflamed tissues, including the kidneys, where they produce IL-17A and contribute to tissue damage. Double negative T cells can derive from CD8+ T cells through the down-regulation of CD8 co-receptor expression. Thus, we asked whether CREMα may be involved in this process. In the studies presented here, we demonstrate that CREMα recruits to highly conserved non-coding sequences of the CD8 gene cluster and trans-represses the CD8B promoter. Thus, CREMα is the first reported transcription factor that negatively regulates CD8 expression. Furthermore, CREMα co-recruits DNA methyltransferase (DNMT)3a and histone methyltransferase G9a to highly conserved regions within the CD8 cluster in CD8+ T cells. Through these interactions, CREMα induces chromatin condensation, reduced CD8 expression, and the generation of DN T cells. Since CREMα expression is greater in T cells from SLE patients and lupus-prone MRL.lpr mice, the reported effects may play a role in several autoimmune disorders that are characterized by increased numbers of DN T cells (such as autoimmune lymphoproliferative syndrome; ALPS). Stat family transcription factors play a role during the differentiation and activation of T cells. Particularly Stat3 and Stat5 appear to be of central importance to the balance between effector Th17 phenotypes (Stat3) and regulatory T cells (Stat5). Stat3 is involved in the generation of IL-17A producing CD4+ Th17 cells, which contribute to tissue damage. Through the induction of cytokines other than IL-17A (e.g. IL-6, IL-10, IL-21), effects of Stat3 are not limited to individual T helper cell populations. Interleukin-10 is an immune-regulatory cytokine. In addition to anti-inflammatory effects, IL-10 is involved in the activation of B lymphocytes and induces immunoglobulin production. Increased IL-10 serum levels in SLE patients and a cohort of SLE patients that clinically responded to therapeutic blockade of IL-10 suggest a pathophysiological role for IL-10 in the disease. As with IL17A, the IL10 gene is regulated by Stat transcription factors. Since expression and activation of Stat3 are increased in T cells from patients with SLE, we investigated effects of dysbalanced Stat activation on the IL10 gene. In the presented study, we demonstrate that Stat3 and Stat5 trans-activate IL10 and induce epigenetic remodeling through co-recruitment of p300. The transcriptional co-activator p300 functions as histone acetyltransferase and induced epigenetic “opening” of the IL10 gene. In T cells from SLE patients, recruitment of Stat3 is enhanced by reduced levels of DNA methylation of the proximal promoter and an intronic enhancer, harboring a Stat responsive element (I-SRE). Stat3 replaces the transcription factor Stat5 at I-SRE in a potentially competitive manner. Altogether, these effects result in increased expression of IL-10 in T cells from patients with SLE. Activation of Stat3 induces the expression of a number of cytokines. Since Stat3 activation is enhanced in several autoimmune/inflammatory disorders, including SLE, we concluded that Stat3-mediated effects on gene expression are most likely not limited to just IL-10 expression in SLE. The herewith reported observations suggest high potential for the application of dysregulated transcription factor networks, particularly CREMα and Stat3, as biomarkers and/or molecular targets for future therapeutic interventions in SLE. However, it remains to be investigated whether and to what extent CREMα and/or Stat3 are involved in chromatin remodeling during the physiological generation of DN and CD4+ T helper cell subsets, or whether they contribute exclusively to the generation of effector T cell phenotypes in SLE and other autoimmune/inflammatory disorders. The translational importance of our observations is underscored by the recently initiated application of JAK/Stat inhibitors in the treatment of autoimmune/inflammatory conditions.

Einzelzellomics bieten unvoreingenommene Einblicke in Transkriptionsprogramme und Genom-Zugänglichkeiten auf zellulärer Ebene, auch wenn der zelluläre Kontext verloren geht. Wir haben einen virtuellen Multi-omic Embryo der Drosophila melanogaster erstellt, basierend auf den Datentypen RNA (Transkriptom) und ATAC (Zugänglichkeit der DNA), welche gleichzeitig auf Einzelzell Ebene erhoben wurden. Mithilfe des Tools novoSpaRc, welches den räumlichen Ursprung der Zellen rekonstruiert, konnte ein regulatorischen Bauplan erstellt werden, der die Genexpression und die Zugänglichkeit von Enhancern widerspiegelt. Diese Ressource hilft beim Verständnis der regulatorischen Dynamik in der Entwicklung. Bei der Untersuchung von ATAC-Peaks konnten wir Überschneidungen zwischen den Mustern der Chromatin Zugänglichkeit und der Aktivität unabhängiger getesteter Enhancer feststellen, was die Bedeutung der Zugänglichkeit unterstreicht. Die nicht-negative Matrixfaktorisierung identifizierte Archetypen der Genexpression und der Chromatin-Zugänglichkeit. Archetypen, die möglicherweise durch Transkriptionsfaktoren (TFs) reguliert werden, wurden einer Motiv-Anreicherungsanalyse für Archetyp-assoziierte CRMs unterzogen. Ein Ansatz zur Vorhersage von Enhancern, ordnete die Enhancer den Genen auf der Grundlage partieller Ähnlichkeit der Muster zu. Zusammenfassend dient unser multimodaler virtueller Embryo als Ressource und präsentiert zum ersten Mal räumliche Chromatin-Zugänglichkeiten für genomische Regionen für einen ganzen Organismus. Die Ergebnisse geben Aufschluss über die Prinzipien der Genregulation und zeigen den regulatorischen Einfluss von Transkriptionsfaktoren auf den Chromatinzustand von Enhancern. / Single-cell-omics techniques provide unbiased insights into transcriptional programs and genomic accessibility patterns at the cellular level despite sacrificing spatial information. We created a multi-omic virtual Drosophila melanogaster stage 6 embryo by simultaneously assessing genome accessibility and transcriptional states in individual cells. Using novoSpaRc, a spatial mapping tool, we accurately reconstructed the spatial origin of cells, yielding a regulatory blueprint reflecting gene expression and enhancer accessibilities. This resource aids in understanding developmental regulatory dynamics. Examining ATAC-peaks, we observed overlapping chromatin accessibility patterns with the activity of independently testes enhancers, emphasizing accessibility's importance. Non-negative matrix factorization identified archetypes in gene expression and chromatin accessibility. Accessibility archetypes, potentially regulated by transcription factors (TFs), were subjected to motif enrichment analysis for archetype-associated CRMs. An enhancer prediction approach, utilizing a generalized linear model, assigned enhancers to genes based on partial pattern similarity. In summary our multi-modal virtual embryo serves as a resource and presents for the first time single-cell chromatin accessibilities for genomic regions reconstructed in space for a whole organism in a single developmental stage. The results shed light on gene regulatory principles, highlighting the regulatory impact of TFs on chromatin states of enhancers.

Microfluidics is a versatile tool with many applications in biology. Its ability to manipulate small volumes of liquid precisely has led to the development of many microfluidic assay platforms. They could handle small amounts of samples and carry out analysis with high sensitivity and throughput. Microfluidic assays have provided new insights into scarce biological samples at higher resolution. In this thesis, we developed microfluidic tools to conduct low input ChIP-seq and ChIRP-seq. We applied them to a variety of samples profiling different targets. The native MOWChIP-seq platform was developed to map RNA polymerase II, transcription factors and histone deacetylase binding in 1,000-50,000 cells. We examined mouse prefrontal cortex and cerebellum using this technology. We found extensive differences that correlated with distinct neurological functions of the brain regions. The same platform and workflow were used to profile five key histone modifications in human lung tumor and normal tissue samples. Integrative analysis with gene expression data revealed extensive chromatin remodeling in lung tumor. Spatial histone modification mapping was conducted in mouse neocortex in a similar fashion. We generated an epigenomic tomography that demonstrated the molecular state of the brain in 3D. Lastly, we developed a microfluidic version of the ChIRP-seq process which successfully conducted the assay using only 500K cells. This improvement makes ChIRP-seq in tissue samples feasible. / Doctor of Philosophy / Microfluidics is a type of technology that can control small volumes of liquid in a miniature system. It can carry out reactions on very small scales with higher precision and sensitivity than conventional methods. Microfluidics has found many uses in the field of biology, especially dealing with samples available in limited quantities. These low input microfluidic platforms have helped researchers gain new knowledge on many complex questions. In this thesis, we developed microfluidic tools to carry out low input ChIP-seq and ChIRP-seq. These are two established techniques used to map where certain targets are located on the genome of an organism. These targets include specific chemical modifications to the wrapper protein of DNA (histone modification), proteins that take part in transcription and expression of genes (RNA polymerase II, transcription factors) and other molecules. Our nMOWChIP-seq system removed the need for fixation by chemicals. It was able to examine RNA polymerase II, transcription factors and other enzymes using 1,000-50,000 cells. Traditional ChIP-seq requires more than 10 million cells and time-consuming chemical treatment steps. Our technology greatly improved sensitivity and ease of use. We also used this platform to test five important histone modifications in human lung tumors and healthy tissues. We constructed a spatial map of histone modification in mouse brain by analyzing slices of the cortex. Finally, we developed a microfluidic version of ChIRP-seq process to map locations of long non-coding RNAs in cultured human cells. The cells needed for a successful test were reduced to 500K from 20 million of the original workflow.

Condensine sind essentiell für die Faltung von Chromatin und wurden auch mit der Transkriptionsregulation in Verbindung gebracht. Der zugrunde liegende Mechanismus für die Transkriptionsregulation ist jedoch unklar. Condensin DC in C. elegans ist ein gutes Modell zur Erforschung der Transkriptionsregulation durch Condensine, da es spezifisch für die Dosiskompensation der Gene auf dem X Chromosom benutzt wird. Condensin DC bindet an beide X Chromosome in C. elegans Hermaphroditen und reduziert deren Transkription um die Hälfte. In meiner Dissertation habe ich untersucht, welche Rolle ein dynamisches Binden von Condensin DC an Chromatin spielt und wie dies die Transkription während der Embryogenese reguliert. Condensine binden dynamisch an Chromatin, um es zu komprimieren und durch Bildung von Schlaufen die Transkription zu regulieren. Mit Hilfe von „fluorescence recovery after photobleaching“ (FRAP) habe ich in adulten Darmzellen von C. elegans untersucht, welche Faktoren das dynamische Binden von Condensin DC an die X Chromosomen beeinflussen. Meine Daten zeigen, dass sowohl die ATPase-Domäne von Condensin DC, als auch eine nicht-katalytische Aktivität einer Histon-Demethylase die Bindedynamik von Condensin DC beeinflussen und damit Transkription regulieren. Zusätzlich habe ich mit einem Mikroskopieansatz, der auf dem Nachweis von einzelnen RNA Molekülen beruht (smFISH), die Transkription von mehreren Genen untersucht, die durch Condensin DC während der Embryonalentwicklung reguliert werden. Die aus diesen Daten ermittelten Transkriptionskinetiken deuten darauf hin, dass Condensin DC vorrangig die Häufigkeit der Transkriptionsinitiation reguliert. Zusammenfassend liefert meine Forschung neue Einblicke in die Transkriptionsregulation durch Condensine und kann als Basis für detailliertere, mechanistische Studien der Rolle von Condensinen in der Transkriptionsregulation in C. elegans und auch in anderen Organismen dienen. / Condensins are essential for chromosome compaction and have been implicated in transcription regulation. The mechanistic foundation of this regulatory function is poorly understood. A clear paradigm to address this question is the X-specific condensin DC in C. elegans, which specifically binds to and transcriptionally represses X chromosomes in XX hermaphrodites by 2-fold. In my thesis, I studied condensin DC binding dynamics to the X chromosome and how condensin DC affects transcription kinetics in single embryos. The binding of condensins to chromatin has been described in recent microscopy-based studies as dynamic in processes including loop formation, chromatin compaction and transcription regulation. To study the dynamics of condensin DC binding, I established fluorescence recovery after photobleaching (FRAP) in C. elegans adult intestinal cells. With this method, I studied how the ATPase domain and different histone modifiers regulate the dynamic binding of condensin DC. I found that the ATPase domain is critical for binding of the complex and that the noncatalytic activity of a histone demethylase increases the dynamics of condensin DC binding, which is crucial for its role in transcription regulation. To further study the mechanism of condensin DC in transcription regulation, I used an imaging approach based on widefield single-molecule RNA fluorescence in situ hybridization (smFISH). I obtained thousands of smFISH images for a set of condensin DC-regulated genes and extracted mature and nascent RNA counts in 3D, which I used to determine transcription burst characteristics throughout embryonic development. My data show that condensin DC regulates the frequency of transcription initiation to down-regulate X-chromosomal genes. Taken together, my results provide new insight into condensin-mediated transcription regulation, which can be used to inform future studies on the mechanism of condensins in transcription regulation in C. elegans and other organisms.

Die MYST-HAT Sas2 in Saccharomyces cerevisiae acetyliert Histon H4 an Lysin 16 (H4 K16Ac), was die Heterochromatinausbreitung an Telomeren begrenzt. Sas2 interagiert mit den Histonchaperonen Asf1 und CAF-1. Da CAF-1 während der DNA-Replikation in der S-Phase aktiv ist, ergab sich die Hypothese, dass Sas2-katalysiertes H4 K16Ac genomweit während der S-Phase ins Chromatin eingebaut wird. Durch Aktivierung von Sas2 stieg die Menge von H4 K16Ac in der S-Phase, aber nicht in der G1-Phase, in Abhängigkeit von Asf1 und CAF-1 an. Dieses H4 K16Ac wurde jedoch nicht ins Chromatin eingebaut. Dies deutete auf die Existenz eines H4 K16Ac-Pools hin. Sas2-katalysiertes H4 K16Ac hat auch eine genomweite Funktion, da das H4 K16Ac-Niveau an ORFs in sas2D Zellen vermindert ist. Eine Hypothese ist, dass H4 K16Ac euchromatische Gene vor SIR-vermittelter transkriptioneller Stilllegung schützt. Entsprechend ist das H4 K16Ac-Niveau an schwach transkribierten Genen hoch und an stark transkribierten Genen niedrig. Wir konnten zeigen, dass sich H4 K16Ac an GAL-Genen während deren Repression anreichert. Dieser H4 K16Ac-Einbau ist abhängig vom Histonchaperon Spt6. In spt6-1004 Zellen war das H4 K16Ac-Niveau an stark sowie an schwach transkribierten Genen höher als im Wildtyp, während die H4-Menge an diesen Genen reduziert war. Dies weist auf einen indirekten Effekt von Spt6 hin, indem es das H4 K16Ac-Niveau durch den Einbau von K16-unacetyliertem H4 während der Transkription reguliert. Die Abwesenheit anderer Histonchaperone (Asf1, CAF-1, HIR, Rtt106) hatte keinen Einfluss auf den repressionsgekoppelten H4 K16Ac-Einbau. Weiterhin konnten wir zeigen, dass H4 K16Ac nicht notwendig ist, um die Bindung des SIR-Komplexes an euchromatischen Genen zu verhindern, da das verminderte H4 K16Ac-Niveau an ORFs in sas2D Zellen nicht auf Deacetylierung durch Sir2 zurückzuführen war. Daher verhindert Sas2-katalysiertes H4 K16Ac die SIR-Bindung nur an subtelomerischen Loci, jedoch nicht in genomweitem Maßstab. / In Saccharomyces cerevisiae, the MYST HAT Sas2 acetylates histone H4 lysine 16 (H4 K16Ac), which prevents the spreading of heterochromatin at telomeres. Sas2 interacts with the histone chaperones Asf1 and CAF-1, the latter of which is active during DNA replication in S-phase, suggesting a genome-wide incorporation of Sas2-mediated H4 K16Ac during S-phase. Upon activation of Sas2, H4 K16Ac on bulk histone H4 increased during S-phase, but not G1-phase, in an Asf1- and CAF-1-dependent manner. Unexpectedly, H4 K16Ac was not incorporated into chromatin during S-phase following its acetylation, which suggested the existence of a nuclear pool of H4 K16Ac. Moreover, Sas2-mediated H4 K16Ac is suggested to have a genome-wide function, since in sas2D cells, H4 K16Ac is decreased at ORFs. One hypothesis is that Sas2-mediated H4 K16Ac might protect euchromatic genes from being spuriously silenced by SIR proteins. Accordingly, H4 K16Ac is highly enriched at poorly transcribed genes, but not at highly expressed genes. In this study, we found that H4 K16Ac became enriched at GAL genes upon repression. Importantly, this H4 K16Ac incorporation required the histone chaperone Spt6. In spt6-1004 cells, H4 K16Ac levels were higher at highly and poorly transcribed genes compared to wild type, whereas H4 occupancy was lower than in wild type. The data suggested an indirect effect of Spt6 in that it regulates H4 K16Ac levels by the incorporation of K16-unacetylated histone H4 during transcription. In contrast, the absence of other histone chaperones (Asf1, CAF-1, HIR, Rtt106) had no effect on H4 K16Ac enrichment upon gene repression. Moreover, we could show that H4 K16Ac was not necessary to prevent the erroneous binding of the SIR complex in euchromatic regions. The decrease of H4 K16Ac at ORFs in sas2∆ cells was not caused by an activity of the HDAC Sir2. Thus, Sas2-mediated H4 K16Ac prevents the binding of the SIR complex only at subtelomeric loci, but not on a genome-wide scale.

Die dreidimensionale Organisation des Chromatins verändert sich während der Zelldifferenzierung als Reaktion auf die Umgebung und ist bei Krankheiten oftmals verändert. Das Zusammenspiel zwischen Chromatinzustand, Chromatinorganisation und Genexpression ist insbesondere bei Neuronen nach wie vor nur geringfügig erforscht. In dieser Arbeit untersuchte ich die Organisation und den Zustand des Chromatins im Zusammenhang mit der Transkription in embryonalen Stammzellen (ESCs) und dopaminergen Neuronen (DNs) der Maus. Dazu habe ich die Organisation des Chromatins mittels Genome Architecture Mapping (GAM) bestimmt und zelltypspezifische Genexpressionsprofile zur Klassifizierungen von Promotoren, Enhancern und Super-Enhancern (SEs) erzeugt. Anschließend habe ich diese linearen Chromatinprofile mit den verschiedenen Stufen der Chromatinorganisation kombiniert und konnte so Unterschiede zwischen den 3D-Genomstrukturen von ESCs und DNs aufzeigen. Zudem konnte ich verstärkt Dreifach-Wechselwirkungen zwischen zelltypspezifischen SEs und/oder exprimierten Genen nachweisen, die bei DNs besonders oft neuronale Signalgene darstellen und oftmals bei neurologischen Störungen betroffen sind. Ich fand auch heraus, dass die Grenzen topologisch assoziierter Domänen (TADs) oft mit Genen zur zellulären Differenzierung zusammen fallen und zudem zelltyp-spezifische Eigenschaften aufweisen, was von Bedeutung für zukünftige funktionelle Untersuchungen solcher Grenzen sein dürfte. Schließlich konnte ich zeigen, dass Chromatinkompartimente zwischen ESCs und DNs in Abhängigkeit vom Chromatinzustands und der Chromatinexpression variieren und dass eine Gruppe transkriptionell aktiver DN Gene, die für die neuronale Aktivität wichtig sind, in B-Kompartimenten liegt. Mit diesen neuen Erkenntnissen erweitert meine Arbeit das Verständnis der Chromatinorganisation bei der Regulierung der Genexpression in Maus ESCs und DNs. / The three-dimensional organization of chromatin changes during cell differentiation, in response to the environment, and is often altered in disease. The interplay between chromatin state, chromatin organization and gene expression remains poorly understood, particularly in neurons. In this work, I examined the organization and state of chromatin associated with transcription in mouse embryonic stem cells (ESCs) and dopaminergic neurons (DNs). To do this, I determined the organization of chromatin using genome architecture mapping (GAM) and generated cell type-specific gene expression profiles to classify promoters, enhancers and super-enhancers (SEs). I then combined these linear chromatin profiles with the different levels of chromatin organization and was able to show differences between the 3D genome structures of ESCs and DNs. In addition, I was able to demonstrate increased triple interactions between cell type-specific SEs and/or expressed genes, which are often neuronal signalling genes in DNs and affected in neurological disorders. I also found that the boundaries of topologically associated domains (TADs) often coincide with cellular differentiation genes and also exhibit cell type-specific properties, which may be important for future functional studies of such boundaries. Finally, I was able to show that chromatin compartments between ESCs and DNs vary depending on chromatin state and chromatin expression, and that a group of transcriptionally active DN genes important for neuronal activity are located in B compartments. With these new findings, my work expands the understanding of chromatin organization in regulating gene expression in mouse ESCs and DNs.

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