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Autoren: Kazakevych, Juri
Titel: Epigenetic chromatin states during embryonic development and adult homeostasis of the mammalian gut
Online-Publikationsdatum: 16-Mai-2017
Sprache des Dokuments: Englisch
Zusammenfassung/Abstract: The mammalian small intestine is a complex 3D-structure comprised of various specialized, proliferative and fully differentiated cell types. Although highly specialized in adults, all cellular lineages originate from a monolayered epithelial tube in the early embryo, which consists of a presumably homogenous population. As the fastest proliferating tissue, the murine small intestine is an established model to study embryonic development and adult homeostasis. These processes are mainly regulated in two ways: intracellular signaling, such as the proliferative Wnt-pathway in combination with Notch- Hedgehog- and BMP-signaling, and epigenetic mechanisms, on which this thesis focuses. Here, I assessed the epigenetic marks H3K27Ac, H3K27me3, H3K4me3, H2A.Z and DNA-methylation, which are involved in the regulation of gene activity, providing a cell type and a development specific expression pattern. The main goal of the projects described in this thesis was to elucidate epigenetic mark deposition and their interaction on the genome-wide scale and to assess their functional impact on gene activity at single genetic loci. Furthermore, single cell in situ analysis was employed to visualize tissue heterogeneity of gene expression and epigenetic patterning. Both approaches were used to deepen our understanding of epigenetic mechanisms involved in development and homeostasis as well as in cancer pathogenesis. Active and repressive epigenetic marks’ genomic distribution was analyzed throughout the intestinal development from embryonic to the fully differentiated adult cell types. In combination with RNA-seq data, these ChIP-seq and MBD-seq experiments provided a comprehensive dataset, which allows for the investigation of epigenetic marks’ interactions along the intestinal cell development timecourse. Hereby, H2A.Z, a histone variant previously annotated to active genes, was found to be positioned on responsive rather than on active promoters. Moreover, H2A.Z was found to be decoupled from gene activity regulation in fully differentiated cells. The well-known active promoter and enhancer mark H3K27Ac was additionally found to mark poised enhancers, long before the corresponding gene’s expression. This novel premarking effect, in combination with the available timecourse gene expression data, could be used for improved genome-wide enhancer prediction and target gene identification. Numerous potential developmental marker genes were identified through developmental clustering. Single locus analysis of these genes revealed strong heterogeneity of gene expression and epigenetic levels in adult intestinal tissue. Strikingly, similar gene expression patterns were also observed at embryonic stages, which previously were believed to be uniform. This heterogeneity might be the key to adult tissue homeostasis and functionality as well as to the early cell fate commitment and structural patterning in the embryonic epithelium.
Der Dünndarm besitzt eine komplexe dreidimensionale Struktur, aufgebaut aus mehreren spezialisierten, proliferativen und voll ausdifferenzierten Zelltypen. Trotz des hohen Spezialisierungsgrads im adulten Gewebe stammen alle Zellen des Dünndarmepithels von einer homogen aussehenden embryonalen Population ab. Der sich alle 5 Tage erneuernde Dünndarm ist das sich am schnellsten teilende Gewebe in der Maus und damit ein gängiges Modell für Studien der Embryonalentwicklung sowie der adulten Homöostase. Diese Prozesse werden vor allem auf zwei Arten gesteuert: Intrazelluläre Signalwege und epigenetische Mechanismen. Letzteres steht im Fokus dieser Doktorarbeit. Hierfür wurden die epigenetischen Histonmarkierungen H3K27Ac/me3, H3K4me3 und H2A.Z, sowie die DNA-Methylierung untersucht, die zusammen an der Steuerung der entwicklungsspezifischen Genexpression beteiligt sind. Die Zielsetzung dieser Arbeit war es, die Verteilung und Wechselwirkung epigenetischer Markierungen genomweit zu bestimmen und ihre Auswirkung auf die Aktivität einzelner Gene zu überprüfen. Zusätzlich wurden bildgebende in situ Methoden verwendet, um die Heterogenität adulten und embryonalen Gewebes, insbesondere im Hinblick auf Genexpression und Histonmarkierungen, zu untersuchen. Beide Ansätze dienten dazu, unser Verständnis epigenetischer Mechanismen, die an der Embryonalentwicklung und Homöostase, aber nicht zuletzt auch an der Karzinogenese beteiligt sind, zu vertiefen. Die Verteilung aktiver und repressiver epigenetischer Markierungen, sowie die Genexpression wurde während der Differenzierung von embryonalen Stadien zum adulten Dünndarmepithelium mithilfe von ChIP- und RNA-seq analysiert. Der hieraus entstandene umfassende Datensatz ermöglicht eine detaillierte Untersuchung epigenetischer Wechselwirkungen während des gesamten Entwicklungsverlaufs. Hierbei wurde H2A.Z, eine Histonvariante, deren Positionierung bisher mit aktiven Promotern und Enhancern assoziiert wurde, als ein Marker von regulationsempfindlichen genetischen Elementen identifiziert und zwar unabhängig von der Genaktivität. Insbesondere in voll ausdifferenzierten Zellen wurde eine Abkopplung der H2A.Z-Positionierung von der Genregulation beobachtet. Die Histonmarkierung H3K27Ac, bekannt für ihre Positionierung auf aktiven Promotern und Enhancern, wurde auch auf bereitstehenden Enhancern lange vor Expression des dazugehörenden Gens gefunden. Dieser neue Vormarkierungseffekt könnte zur verbesserten Identifizierung von Enhancersequenzen sowie der dazugehörigen Zielgene verwendet werden. Zahlreiche Gene wurden mithilfe der epigenetischen Gruppierung als potentielle Entwicklungsmarker identifiziert. Ihre Einzelanalyse deckte in vielen Fällen eine starke Heterogenität der Genexpression und epigenetischer Markierungen im adulten Gewebe auf. Interessanterweise wurde dies oft auch in den bisher als größtenteils homogen beschriebenen, embryonalen Stadien beobachtet. Diese Heterogenität könnte der Schlüssel zur adulten Homöostase sowie der embryonalen Spezialisierung des Dünndarmepithels sein.
DDC-Sachgruppe: 570 Biowissenschaften
570 Life sciences
Veröffentlichende Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Organisationseinheit: Externe Einrichtungen
Veröffentlichungsort: Mainz
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-831
Version: Original work
Publikationstyp: Dissertation
Nutzungsrechte: in Copyright
Informationen zu den Nutzungsrechten: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Umfang: 153 Seiten
Enthalten in den Sammlungen:JGU-Publikationen

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