Eukaryotic organisms contain their entire genome in the nucleus of their cells. In order to fit within the nucleus, genomic DNA wraps into nucleosomes, the basic, repeating unit of chromatin. Nucleosomes wrap around each other to form higher order chromatin structures. Here we study many factors that affect, or are effected by, chromatin structure including: (1) how low-dose inorganic arsenic (iAs) changes chromatin structures and their relation to global transcription and splicing patterns, and (2) how chromatin architectural proteins (CAPs) bind to and change nucleosome dynamics and DNA target site accessibility. Despite iAs’s non-mutagenic nature, chronic exposure to low doses of iAs is associated with a higher risk of skin, lung, and bladder cancers. We sought to identify the genome-wide changes to chromatin structure and splicing profiles behind the cell’s adaptive response to iAs and its removal. Furthermore, we extended our investigation into cells that had the iAs insult removed. Our results show that the iAs-induced epithelial to mesenchymal transition and changes to the transcriptome are coupled with changes to the higher order chromatin structure and CAP binding patterns. We hypothesize that CAPs, which bind the entry/exit and linker DNA of nucleosomes, regulate DNA target site accessibility by altering of the rate of spontaneous dissociation of DNA from nucleosome. Therefore, we investigated the effects of the repressive CAP histone H1, the activating CAP high mobility group D1 (HMGD1), and the neural CAP methyl CpG binding protein 2 (MeCP2) on the dynamics of short chromatin arrays and mononucleosomes and their effect on nucleosomal DNA accessibility. Using biochemical and biophysical analyses we show that all CAP-chromatin structures tested were susceptible to chromatin remodeling by ISWI and created more stable higher order structures than if CAPs were absent. Additionally, histone H1 and MeCP2 hinder model transcription factor Gal4 from binding its cognate DNA site within nucleosomal DNA. Overall, we show that chromatin structure is dynamic and changes in response to environmental signals and that CAPs change nucleosome dynamics that help to regulate chromatin structures and impact transcriptional profiles.

Le génome de la levure de boulanger Saccharomyces cerevisiae a évolué à partir d'un ancêtre chez lequel une profonde décompaction du génome s'est produite à la suite de la perte de la méthylation de la lysine 9 de l'histone H3, il y a environ 300 millions d'années. Il a été proposé que cette décompaction du génome a entraîné une capacité accrue des levures à évoluer par des mécanismes impliquant des taux de recombinaison méiotique et de mutation exceptionnellement élevés. La capacité à évoluer accrue qui en résulte pourrait avoir permis des adaptations uniques, qui en ont fait un eucaryote modèle idéal et un outil biotechnologique. Dans cette thèse, je présenterai deux exemples de la façon dont les adaptations locales et globales du génome se reflètent dans les changements des propriétés mécaniques de la chromatine qui, à leur tour, indiquent un phénomène de séparation de phase causée par les modifications post-traductionnelles des histones et des changements dans les taux d'échange des histones. Dans un premier manuscrit, je présente des preuves d'un mécanisme par lequel la relocalisation du locus INO1, gène actif répondant à la déplétion en inositol, du nucléoplasme vers l'enveloppe nucléaire, augmente la vitesse d'adaptation et la robustesse métabolique aux ressources fluctuantes, en augmentant le transport des ARNm vers le cytosol et leur traduction. La répartition d'INO1 vers l'enveloppe nucléaire est déterminée par une augmentation locale des taux d'échange d'histones, ce qui entraîne sa séparation de phase du nucléoplasme en une phase de faible densité plus proche de la périphérie nucléaire. J'ai quantifié les propriétés mécaniques de la chromatine du locus du gène dans les états réprimé et actif en analysant le déplacement de 128 sites LacO fusionnés au gène liant LacI-GFP en calculant diffèrent paramètres tel que la constante de ressort effective et le rayons de confinement du locus. De plus, j'ai mesuré l'amplitude et le taux d'expansion en fonction du temps du réseau LacO et j'ai observé une diminution significative du locus à l'état actif, ce qui est cohérent avec le comportement de ressort entropique de la chromatine décompactée. J'ai montré que les séquences d'éléments en cis dans le promoteur du locus, essentielles à la séparation de phase, sont des sites de liaison pour les complexes de remodelage de la chromatine effectuant l'acétylation des histones. Ces modifications de la chromatine entraînent une augmentation des taux d'échanges des sous-unités des complexes d'histones, et une séparation de phase locale de la chromatine. Enfin, je présente l’analyse de simulations in silico qui montrent que la séparation de phase locale de la chromatine peut être prédite à partir d'un modèle de formation/disruption des interactions multivalentes protéine-protéine et protéine-ADN qui entraîne une diminution de la dynamique de l'ADN. Ces résultats suggèrent un mécanisme général permettant de contrôler la formation rapide des domaines de la chromatine, bien que les processus spécifiques contribuant à la diminution de la dynamique de l'ADN restent à étudier. Dans un second manuscrit, je décris comment nous avons induit la « retro-évolution » de la levure en réintroduisant la méthylation de la lysine 9 de l'histone H3 par l'expression de deux gènes de la levure Schizosaccaromyces pombe Spswi6 et Spclr4. Le mutant résultant présente une augmentation de la compaction de la chromatine, ce qui entraîne une réduction remarquable des taux de mutation et de recombinaison. Ces résultats suggèrent que la perte de la méthylation de la lysine 9 de l'histone H3 pourrait avoir augmenté la capacité à l'évoluer. La stabilité inhabituelle du génome conférée par ces mutations pourrait être utile pour l'ingénierie métabolique de S. cerevisiae, dans laquelle il est difficile de maintenir des gènes exogènes intégrés pour les applications de nombreux processus biotechnologiques courants tels que la production de vin, de bière, de pain et de biocarburants. Ces résultats soulignent l'influence des propriétés physiques d'un génome sur son architecture et sa fonction globales. / The genome of the budding yeast Saccharomyces cerevisiae evolved from an ancestor in which a profound genome decompaction occurred as the result of the loss of histone H3 lysine 9 methylation, approximately 300 million years ago. This decompaction may have resulted in an increased capacity of yeasts to evolve by mechanisms that include unusually high meiotic recombination and mutation rates. Resultant increased evolvability may have enabled unique adaptations, which have made it an ideal model eukaryote and biotechnological tool. In this thesis I will present two examples of how local and global genome adaptations are reflected in changes in the mechanical properties of chromatin. In a first manuscript, I present evidence for a mechanism by which partitioning of the active inositol depletion-responsive gene locus INO1 from nucleoplasm to the nuclear envelope increases the speed of adaptation and metabolic robustness to fluctuating resources, by increasing mRNA transport to the cytosol and their translation. Partitioning of INO1 to the nuclear envelope is driven by a local increase in histone exchange rates, resulting in its phase separation from the nucleoplasm into a low-density phase closer to the nuclear periphery. I quantified the mechanical properties of the gene locus chromatin in repressed and active states by monitoring mean-squared displacement of an array of 128 LacO sites fused to the gene binding LacI-GFP and calculating effective spring constants and radii of confinement of the array. Furthermore, I measured amplitude and rate of time-dependent expansion of the LacO array, and observed a significant decrease for the active-state locus which is consistent with entropic spring behavior of decompacted chromatin. I showed that cis element sequences in the promoter and upstream of the locus that are essential to phase separation are binding sites for chromatin remodeling complexes that perform histone acetylation among other modifications that result in increased histone complex exchange rates, and consequent local chromatin phase separation. Finally, I present analytical simulations that show that local phase separation of chromatin can be predicted from a model of formation/disruption of multivalent protein-protein and protein-DNA interactions that results in decreased DNA dynamics. These results suggest a general mechanism to control rapid formation of chromatin domains, although the specific processes contributing to the decreased DNA dynamics remain to be investigated. In a second manuscript, I describe how we retro-evolutionarily engineered yeast by reintroducing histone H3 lysine 9 methylation through the expression of two genes from the yeast Schizosaccaromyces pombe Spswi6 and Spclr4. This mutant shows an increase in compaction, resulting in remarkable reduced mutation and recombination rates. These results suggest that loss of histone H3 lysine 9 methylation may have increased evolvability. The unusual genome stability imparted by these mutations could be of value to metabolically engineering S. cerevisiae, in which it is difficult to maintain integrated exogenous genes for applications for many common biotechnological processes such as wine, beer, bread, and biofuels production. These results highlight the influence of the physical properties of a genome on its overall architecture and function.