id,collection,dc.contributor.author,dc.contributor.contact,dc.contributor.firstReferee,dc.contributor.furtherReferee,dc.contributor.gender,dc.date.accepted,dc.date.accessioned,dc.date.available,dc.date.issued,dc.description.abstract[de],dc.format.extent,dc.identifier.uri,dc.identifier.urn,dc.language,dc.rights.uri,dc.subject,dc.subject.ddc,dc.title,dc.title.translated[de],dc.type,dcterms.accessRights.dnb,dcterms.accessRights.openaire,dcterms.format[de],refubium.affiliation[de],refubium.mycore.derivateId,refubium.mycore.fudocsId "f7799924-ac4d-48d6-8ef2-3ede0ebc7307","fub188/14","Lehmann, Robert","r.lehmann@biologie.hu-berlin.de","Prof. Dr. Martin Vingron","Prof. Dr. Hanspeter Herzel","m","2016-04-08","2018-06-07T15:28:31Z","2016-04-20T13:21:40.964Z","2016","An internal clock mechanism enables organisms to predict and adapt to the daily change between day and night. Comprehensive assessments of circadian expression programs are crucial to elucidate the physiological relevance of the clock in an organism. In photoautotrophic organisms, the adjustments of metabolic processes at the beginning and end of the photic phases play a central role. A leading hypothesis is that gene expression facilitates the circadian control of the cellular metabolism. However, circadian regulation patterns are also found in other cellular processes, such as the chromatid structure in cyanobacteria. This thesis is divided into three main sections which consider different aspects of the transcriptional control exerted by the circadian clock. Chapter 2 presents a microarray time series dataset of diurnal gene expression in Synechocystis sp. PCC 6803. The analysis of this data set indicates diurnal oscillations in the 16S and 23S rRNA content, which cause a systematic bias in the observed diurnal transcriptional patterns when using common multi-array normalisation methods. In order to address this issue, a normalisation procedure is proposed which resolves these issues by using the least oscillating gene set. In addition to this dataset, a collection of microarray datasets, which quantifies diurnal or circadian expression in six popular cyanobacterial strains, is systematically compared. Standardised oscillation detection improved the comparability between individual datasets. Strain-specific peak expression phases in independent experiments demonstrated reliable reproducibility. In contrast, peak expression phases of homologous genes vary significantly between cyanobacterial strains. Moreover, the set of 95 genes with consistent diurnal expression in all considered datasets, the core diurnal genome, is analysed in detail. Many of the contained genes code for proteins with metabolic functions. A pairwise comparison of diurnal expression phases between the datasets and phases in the core diurnal genome reveal that cyanobacterial strains have adapted their diurnal expression programs to their individual environment and do not follow a general expression program. Chapter 3 focusses on the periodic occurrence of AT dinucleotides in a number of cyanobacterial genomes. It is known that AT dinucleotides induce bending of the DNA backbone which accumulates when the dinucleotides occur in phase with the helical period of the DNA. Current hypotheses connect such a bending signal either with a global structural compaction of the chromatid or alternatively with the transcriptional regulation of target genes. The latter hypothesis is supported by the observation that the chromatid of the cyanobacterium Synechococcus elongatus exhibits circadian rhythms of compaction and relaxation due to changes in the supercoiling accompanied with transcriptional changes in a range of genes. The described analysis compares evidence for both hypotheses. In a wide range of cyanobacterial genomes, combinations of A and T (AT2) induce the strongest genome-wide about 11 bp periodic signal among all dinucleotides. However, only transposons are found to feature particularly strong AT2 periodicity in gene sections, which are thought to be curved to aid transposase binding. Instead, genome-wide AT2 periodicity correlates with the number of chromosomal copies present in individual cells of the particular strain. These results suggest that high AT2 periodicity facilitates chromosomal compaction and is thus specifically favoured in cyanobacterial strains with polyploid lifestyle. Finally, chapter 4 is dedicated to the question of how phases of circadian target genes are tuned. A mathematical model predicts that the combined regulatory input of two circadian TFs in appropriate phase relationship yields a modification of the target gene phase or frequency doubling, i.e., ultradian rhythmicity. This prediction addressed in an in-depth study of circadian transcriptional rhythms in Neurospora crassa. The first analysis step quantifies to which extent rhythmic binding of RNA II polymerase (RNAPII) induces circadian rhythmicity in the abundance of the corresponding mRNA. Accordingly, the binding of RNAPII to gene promoters and bodies is compared to the corresponding mRNA abundance. Three classes of genes are identified: one showing rhythmicity both in transcriptional and mRNA accumulation, a second class with rhythmic transcription but non-rhythmic mRNA levels, and a third class with non-rhythmic transcription but rhythmic mRNAs. The third group featured elevated transcriptional variability, which might facilitate circadian rhythmicity in the corresponding mRNA abundance. Due to the regulation of morning- and evening-expressed genes by WCC and CSP1, respectively, both circadian TFs are analysed to verify the prediction of frequency doubling of combined target genes. However, the phase relationship of these TFs in the presented dataset is inadequate for the generation of ultradian rhythms. Accordingly, experimental data do not show preferential binding in proximity of ultradian genes for either of the TFs. Instead, proximal promoter sequence analyses suggest transcriptional regulation by different pairs of transcription factors specific to the ultradian phase.||Ein interner Uhr-Mechanismus erlaubt es diversen Spezies, den täglichen Wechsel zwischen Tag und Nacht vorher zu sagen und sich entsprechend anzupassen. Umfassende Messungen zirkadianer Gen-Expressionsmuster sind notwendig, um den Einfluss der Uhr auf die Physiologie abbilden zu können. In photoautotrophen Spezies spielt die Anpassung metabolischer Prozesse zum Anfang und Ende der photischen Phase eine zentrale Rolle. Eine häufig bestätigt gefundene Annahme ist daher die zirkadiane Expression von Genen metabolisch wichtiger Proteine. Neben der Gen-Expression können zirkadiane Regulationsmuster auch in anderen zellulären Prozessen wie z.B. der Chromatid- Struktur in Cyanobakterien festgestellt werden. Diese Dissertation ist in drei Teile geteilt, welche verschiedene Aspekte der transkriptionellen Regulation durch die zirkadiane Uhr beleuchten. Kapitel 2 stellt einen Microarray Zeitserien-Datensatz zur Beschreibung diurnaler Expressionsrhythmik im Cyanobakterium Synechocystis sp. PCC 6803 vor. Für diesen Stamm bisher nicht beschriebene diurnale Oszillationen im zellulären 16S und 23S rRNA-Gehalt haben zu Komplikationen bei der Verwendung von verbreiteten Microarray- Normalisierungsmethoden geführt. Mittels Normalisierung hinsichtlich gering oszillierender Gene kann dies verhindert werden. Das diurnale Expressionsprogramm wurde mit weiteren Microarray-Datensätzen verglichen, die zirkadiane oder diurnale Expressionsprogramme in sechs verschiedenen Cyanobakterien-Stämmen abbilden. Die standardisierte Detektion oszillierender Gene verbesserte die Vergleichbarkeit der Datensätze. Es wurde gute Reproduzierbarkeit diurnaler Expressionmuster in unabhängigen Experimenten festgestellt. Dagegen variiert die Phase maximaler Expression stark zwischen oszillierenden Homologen in versch. Stämmen. Das 95 Mitglieder umfassende Set von Genen, deren Homologe in allen Datensätzen oszillierende Expressionsmuster aufwiesen (core diurnal genome), wurde im Detail analysiert. Wie erwartet sind metabolische Gene stark vertreten. Paarweise Vergleiche der Expressionsphasen zwischen den einzelnen Datensätzen und im core diurnal genome legen nahe, dass Cyanobakterien-Stämme ihre diurnalen Expressionsmuster an die jeweiligen Umweltbedingungen angepasst haben und kein generelles diurnales Expressionmuster aufweisen. Kapitel 3 analysiert das periodische Vorkommen von AT Dinukleotiden in einer Reihe von Cyanobakterien-Genomen. Da AT Dinukleotide eine Krümmung im DNA-Rückgrat hervorrufen, kann deren Vorkommen in Phase mit der helikalen Periode der DNA eine Biegung induzieren. Es wurde bereits vermutet, dass eine solche Biegung der DNA entweder eine globale strukturelle Verdichtung des Nukleotids erleichtert oder alternativ der transkriptionellen Regulation bestimmter Zielgene dienen könnte. Letzteres wird durch die Beobachtung gestützt, dass das chromosomale Supercoiling im Cyanobakterium Synechococcus elongatus eine zirkadiane Rhythmik aufweist, welche sich in der Expression einer Reihe von Genen widerspiegelt. Die hier beschriebene Analyse vergleicht eine Reihe von Hinweisen für beide Hypothesen. Ein Vergleich zeigte, dass Kombinationen von A und T (AT2) in einem Abstand von etwa 11 bp die stärkste genomische Periodizität in einer Reihe von Cyanobakterien aufweisen. Jedoch kann nur in Transposons besonders starke AT2 Periodizität in Bereichen festgestellt werden, welche aufgrund ihrer Funktionsweise starke Krümmung aufweisen. Stattdessen korreliert die Stärke Genom-weit gemessener AT2 Periodizität gut mit der Anzahl der typischerweise in der Zelle vorliegenden Chromosomen-Kopien. Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass AT2 Periodizität die Verdichtung des Nukleoids vereinfacht und daher verstärkt in Stämmen mit besonders vielen Chromosomen-Kopien auftritt. Kapitel 4 ist der Frage gewidmet, wie Expressionsphasen in Zielgenen der zirkadianen Uhr modifiziert werden können. Mathematische Modellierung sagt vorher, dass die kombinierte Regulation zweier zirkadianer Transkriptionsfaktoren (TF) in entsprechendem Phasenverhältnis zu modifizierten Phasen oder Frequenzverdopplung und damit zu ultradianer Rhythmik des Zielgens führt. Es wird eine detaillierte Studie zirkadianer Transkriptionsrhythmen in Neurospora crassa präsentiert. In einem ersten Schritt wird beleuchtet, zu welchem Grad die rhythmische Bindung von RNA Polymerase II (RNAPII) für die zirkadiane Rhythmik in der mRNA Menge verantwortlich ist. Hierzu wird die Bindung von RNAPII an Promotoren und Gene mit der gleichzeitig gemessenen entsprechenden mRNA Konzentration verglichen. Es wurden drei Genklassen identifiziert, eine erste mit rhythmischer Transkription und mRNA Menge, eine zweite mit rhythmischer Transkription aber nicht-rhythmischer mRNA Menge, und eine dritte mit nicht-rhythmischer Transkription und rhythmischer mRNA Menge. Letztere weist erhöhte transkriptionelle Variabilität auf, welche die zirkadiane Rhythmizität der mRNA befördern könnte. Da die beiden Transkriptionsfaktoren WCC und CSP1 für die Regulation von jeweils am Morgen und Abend exprimierten Genen verantwortlich sind, ist dieses Paar ideal um die vorhergesagte Frequenzverdopplung zu beobachten. Deren Phasenbeziehung im vorgestellten Datensatz ist jedoch ungeeignet für die Erzeugung von ultradianen Rhythmen, was die beobachtete Phasenverteilung der Zielgene bestätigt. Dementsprechend deutet die Auswertung experimenteller Daten nicht auf eine Transkriptionsregulation der ultradianen Gene durch WCC oder CSP1 hin. Stattdessen weist die Analyse der Promotorsequenzen auf alternative phasen- spezifische TFs als transkriptionelle Regulatoren hin.","v, 183 Seiten","https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/1123||http://dx.doi.org/10.17169/refubium-5325","urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000101840-7","eng","http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen","circadian clock||transcription regulation||periodic dinucleotides||supercoiling||cyanobacteria||neurospora||RNA polymerase II","500 Naturwissenschaften und Mathematik::570 Biowissenschaften; Biologie","Hunting for Clues of the Circadian Clock in High Throughput and Genomic Data","Spuren den zirkadianen Uhr in Hochdurchsatz- und genomischen Daten","Dissertation","free","open access","Text","Mathematik und Informatik","FUDISS_derivate_000000019049","FUDISS_thesis_000000101840"