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.

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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.

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 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.

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.

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.

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.

Cis-regulatorische Elemente wie Promotoren und Enhancer, die die Regulation der Transkription von Genen steuern, befinden sich in Regionen des dekondensierten Chromatins. DNase-seq und ATAC-seq sind weit verbreitete Verfahren, um solche offenen Chromatinregionen genomweit zu untersuchen. Die einzel-Nukleotid-Auflösung von DNase-seq wurde des Weiteren genutzt, um Transkriptionsfaktor-Bindungsstellen (TFBS) in regulatorischen Regionen durch TF-Footprinting zu bestimmen. Kürzlich durchgeführte Studien haben jedoch gezeigt, dass DNase I einen Sequenzbias aufweist, welcher nachteilige Auswirkungen auf die Footprinting-Effizienz hat. Auch wurden das Footprinting und die Auswirkungen des Sequenzbias auf ATAC-seq noch nicht umfassend untersucht. In dieser Arbeit nehme ich einen systematischen Vergleich der beiden Methoden vor und zeige, dass die beiden Methoden unterschiedliche Sequenzbiases haben und korrigiere diese protokollspezifischen Biases beim Footprinting. Der Einfluss von Bias-Korrekturen der Footprinting Ergebnisse ist für DNase-seq größer als für ATAC-seq, und Footprinting mit DNase-seq führt zu besseren Ergebnissen in unserer Datensätze. Trotz dieser Unterschiede zeige ich, dass die Integration replizierter Experimente die Ableitung von qualitativ hochwertigen Footprints ermöglicht, wobei die beiden Techniken weitgehend übereinstimmen. Diese Techniken werden ferner eingesetzt, um die cis-regulatorischen Elemente zu charakterisieren, die die Embryogenese der Fruchtfliege Drosophila melanogaster bestimmen. Durch die Verwendung von Embryonen die sich im richtigen Entwicklungsstadium befinden, sowie gewebespezifischer Kernsortierung mit offenem Chromatin-Profiling können zeitlich und gewebespezifisch aufgelöste vermeintliche cis-regulatorische Elemente definiert werden. Zusammengenommen demonstrieren diese Analysen die Fähigkeit der offenen Chromatin-Profilierung und der Computeranalyse zur Aufklärung der Mechanismen der Genregulation. / Cis-regulatory elements such as promoters and enhancers, that govern transcriptional gene regulation, reside in regions of open chromatin. DNase-seq and ATAC-seq are broadly used methods to assay open chromatin regions genome-wide. The single nucleotide resolution of DNase-seq has been further exploited to infer transcription factor binding sites (TFBS) in regulatory regions through TF footprinting. However, recent studies have demonstrated the sequence bias of DNase I and its adverse effects on footprinting efficiency. Furthermore, footprinting and the impact of sequence bias have not been extensively studied for ATAC-seq. In this thesis, I undertake a systematic comparison of the two methods and demonstrate that the two methods have distinct sequence biases and correct for these protocol-specific biases when performing footprinting. The impact of bias correction on footprinting performance is greater for DNase-seq than for ATAC-seq, and footprinting with DNase-seq leads to better performance in our datasets. Despite these differences, I show that integrating replicate experiments allows the inference of high-quality footprints, with substantial agreement between the two techniques. These techniques are further employed to characterize the cis-regulatory elements governing the embryogenesis of a complex organism, the fruit fly Drosophila melanogaster. Combining tight staging of embryos and tissue-specific nuclear sorting with open chromatin profiling, enables the definition of temporally and tissue-specifically resolved putative cis-regulatory elements. Taken together, these analyses demonstrate the power of open chromatin profiling and computational analysis in elucidating the mechanisms of transcriptional gene regulation.

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.