Die Anordnung von Tiergenomen in topologisch assoziierten Domänen (TADs) spielt eine entscheidende Rolle bei der Regulation von Genen. Diese TADs sind Bereiche mit erhöhter Interaktion, die durch kontaktarme Zonen getrennt sind. In Wirbeltieren erfolgt die Bildung von TADs durch die Bindung von Kohäsin und CTCF (CCCTC-bindender Faktor) im Rahmen eines dynamischen Prozesses namens Loop-Extrusion. Dieser Prozess erzeugt Chromatinschleifen, die gestoppt werden, wenn sie auf CTCF-Proteine in einer spezifischen Ausrichtung treffen. Obwohl CTCF in den meisten Bilaterien stark konserviert ist, wurde seine globale architektonische Funktion in Fliegen bisher nicht erforscht. In dieser Studie wurde ein innovativer Ansatz entwickelt, um die evolutionären Aspekte der CTCF-vermittelten 3D-Chromatinorganisation zu untersuchen. Die Auswirkungen des Austauschs von CTCF-Orthologen innerhalb der Bilateriengruppe auf Lebensfähigkeit, Phänotypen, Genexpression, Genomarchitektur und genomweite Bindungsmuster wurden analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die nicht-vertebraten Chordatiere C. robusta, unabhängig von der Anwesenheit von CTCF, keine herkömmlichen TAD-Strukturen aufweisen. Dennoch kann das Ciona-Ortholog als Transkriptionsfaktor fungieren, um die Expression bestimmter Gene und die Lebensfähigkeit wiederherzustellen, die bei vollständigem CTCF-Verlust in embryonalen Stammzellen der Maus dysreguliert sind. Dies deutet darauf hin, dass CTCF eine konservierte Rolle als Transkriptionsregulator hat, die über seine bekannte Funktion als architektonisches Protein in einigen Arten hinausgeht. Weitere Untersuchungen sind erforderlich, um festzustellen, ob CTCF in Ciona das Genom in seiner nativen Umgebung bindet und die Bindung von Kohäsin aufrechterhält. Die Unfähigkeit des CTCF-Orthologs der Maus, Chromatinschleifen im Genom der Fruchtfliege zu erzeugen, legt nahe, dass die Wirbeltier-Version von CTCF allein nicht für eine funktionelle Schleifen-Extrusion ausreicht. Es könnte notwendig sein, dass sie mit Fliegen-Kohäsin oder spezifischen Kofaktoren kompatibel ist. Die Studie zeigt auch subtile Unterschiede in den Bindungsmotiven von CTCF zwischen den Arten. Während die Orthologe der Chordatiere ähnliche Motivstrukturen aufweisen, zeigt das Fliegen-Ortholog eine abweichende Musterpräferenz. Diese Erkenntnisse verdeutlichen die evolutionären Verschiebungen in den Bindungsvorlieben von CTCF in pan-chordaten Linien. Zusammenfassend bietet diese Forschung wertvolle Einblicke in die evolutionäre Bewahrung und funktionelle Divergenz von CTCF-vermittelten Chromatin-Kontakten bei Bilaterien. Sie betont die Bedeutung artspezifischer Faktoren und koevolutionärer Dynamiken bei der Gestaltung der Chromatinorganisation und Genregulation. Weitere Untersuchungen an verschiedenen Arten sind entscheidend, um die Entstehung und Bewahrung der CTCF-vermittelten Chromatinarchitektur im Verlauf der Evolution genau zu verstehen. / The three-dimensional organization of animal genomes, known as topologically associating domains (TADs), is crucial for controlling gene activity. TADs are regions with increased genetic interactions, separated by zones with fewer contacts. In vertebrates, the formation of TADs involves a dynamic process called loop extrusion, where cohesin and CTCFs bind to the chromatin. This process creates chromatin loops, with cohesin complexes pausing when they encounter CTCF molecules in a specific orientation. However, although CTCF is highly conserved among bilaterian species, its vital role in organizing genomes spatially has not been observed in invertebrates like flies. This study investigates the chromatin structure in Ciona robusta, a chordate species situated evolutionarily between well-studied organisms like mice and fruit flies. A unique approach was developed to explore the evolution of CTCF as a mediator of three-dimensional chromatin organization. By swapping CTCF orthologs from representative species across the bilaterian group, the research examined their impact on viability, traits, gene expression, genome architecture, and binding patterns across the genome. The findings indicate that Ciona robusta, a non-vertebrate chordate, lacks typical TAD structures, even in the presence of CTCF. However, although the Ciona ortholog cannot create TADs in mouse embryonic stem cells, it can act as a transcription factor, restoring the expression of specific genes and viability in cases of complete CTCF loss. This suggests that CTCF serves a conserved role as a transcription regulator, beyond its recognized role as a structural component in some species. Furthermore, when the mouse ortholog of CTCF was introduced into the fruit fly genome, it failed to induce the formation of chromatin loops, suggesting that the vertebrate version of CTCF alone is insufficient for effective loop extrusion. Additionally, the study revealed subtle differences in CTCF's binding motif preferences between species. While chordate orthologs shared similar motif structures, the fly ortholog had a distinct pattern. These findings underscore the evolutionary changes in CTCF binding preferences among chordate lineages. In summary, this research offers valuable insights into the evolutionary preservation and functional differences in CTCF-mediated chromatin interactions in bilaterian species. It highlights the significance of species-specific factors and co-evolutionary dynamics in shaping chromatin organization and gene regulation.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:HUMBOLT/oai:edoc.hu-berlin.de:18452/28293 |
| Date | 07 November 2023 |
| Creators | Astica, Liene |
| Contributors | Blüthgen, Nils, Zinzen, Robert, Christiaen, Lionel |
| Publisher | Humboldt-Universität zu Berlin |
| Source Sets | Humboldt University of Berlin |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | doctoralThesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | (CC BY 4.0) Attribution 4.0 International, https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ |
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