Epigenetic regulators orchestrate heritable changes in gene expression without altering the DNA sequence, relying on chromatin organization and modifications. Beyond linear (1D) chromatin features, the three-dimensional (3D) genome architecture within the nucleus plays a pivotal role in transcriptional regulation and development. In plants, structures such as compartment domains (CDs) and plant lamina-associated domains (PLADs) mediate genome organization, yet the molecular mechanisms underlying their formation and maintenance remain poorly understood. This thesis identifies PWO1, a PWWP-domain-containing protein in Arabidopsis, as a central mediator of chromatin organization and 3D genome architecture. Through integrative analyses, transcriptomics, epigenomics, and 3D genome organization studies, we show that PWO1 preferentially associates with compartment domain boundaries, marked by co-enrichment with active chromatin marks (H3K27ac, H3K4me3) and RNA Polymerase II. In contrast, it is excluded from repressive PLADs and heterochromatic regions, supporting its role in maintaining active chromatin states. Furthermore, PWO1 binds telobox motifs (AAACCCTA) and interacts with TELOMERIC REPEAT BINDING PROTEINS (TRBs), as confirmed through colocalization studies, positioning it at the intersection of transcriptional regulation and chromatin structural maintenance. The dual regulatory role of PWO1 is reflected by its potential synergistic interactions with the PEAT complex, enhancing chromatin accessibility, and its potential antagonistic association with PRC2, limiting H3K27me3 deposition at critical loci, such as the SUPPRESSOR OF VEGETATIVE PHASE (SVP) locus. These interactions impact flowering time regulation, with pwo1 mutants exhibiting early flowering and PWO1 overexpression delaying the transition to reproduction. Notably, the interaction of PWO1 with SWP73B, a core component of the SWI/SNF chromatin remodeling complex, suggests an additional role for PWO1 in facilitating chromatin accessibility through nucleosome remodeling, further reinforcing its function in transcriptionally active regions. Additionally, computational analyses, such as QHistone, reveal novel associations between PWO1, RNA Polymerase II, and active chromatin landscapes, highlighting its role in chromatin boundary regulation and transcriptional activation. In summary, this study establishes PWO1 as a key chromatin boundary organizer and mediator of 3D genome architecture in Arabidopsis. By linking linear chromatin features to nuclear architecture, PWO1 facilitates the dynamic interplay between active and repressive chromatin states. These findings advance our understanding of plant-specific genome organization and provide a foundation for future investigations into the regulatory mechanisms that underpin nuclear architecture and gene expression in eukaryotes.
Epigenetische Regulatoren induzieren vererbbare Veränderungen von Genexpressionsmustern durch Chromatinumstrukturierungen und -modifikationen, ohne dabei die DNA-Sequenz zu verändern. Über lineare (1D) Chromatinmerkmale hinaus spielt die dreidimensionale (3D) Genomarchitektur im Zellkern eine entscheidende Rolle in der transkriptionellen Regulation und der Entwicklung. In Pflanzen wird die Genomorganisation durch Strukturen wie Kompartimentdomänen (CDs) und pflanzliche Lamin-assoziierte Domänen (PLADs) vermittelt. Die molekularen Mechanismen, die ihrer Bildung und Aufrechterhaltung zugrunde liegen, sind jedoch weitgehend unverstanden. Die vorliegende Dissertation identifiziert PWO1, ein Protein mit einer PWWP-Domäne in Arabidopsis thaliana, als zentralen Mediator der Chromatinorganisation und der 3D-Genomarchitektur. Durch integrative Analysen von Transkriptomik, Epigenomik und der 3D-Genomorganisation zeigen wir, dass PWO1 bevorzugt mit Grenzbereichen von Kompartimentdomänen mit aktivierende Histonmarkierungen (H3K27ac, H3K4me3) und RNA-Polymerase-II-Anreicherung assoziiert ist. Aus repressiven PLADs und heterochromatischen Regionen hingegen wird PWO1 ausgeschlossen. Dies weist auf eine Rolle für PWO1 als Aufrechterhalter aktiver Chromatinzustände hin. Darüber hinaus wird durch Kolokalisationsexperiemnte gezeigt, dass PWO1 an telobox Motiven (AAACCCTA) bindet und mit TELOMER-REPEAT-BINDENDEN PROTEINEN (TRBs) interagiert. Dies positionert PWO1 an der Schnittstelle zwischen transkriptioneller Regulation und struktureller Chromatininstandhaltung. Die duale regulatorische Rolle von PWO1 spiegelt sich weiterhin in seinen potenziell synergistischen Interaktionen mit dem chromatinöffnenden PEAT-Komplex und seiner möglichen antagonistischen Assoziation mit dem expressionshemmenden PRC2-Komplex wider. Dadurch wird die Ablagerung von repressivem H3K27me3 an kritischen Loci, wie dem SUPPRESSOR OF VEGETATIVE PHASE (SVP)-Locus, begrenzt. Diese Interaktionen beeinflussen die Induktion der Blühzeit, wobei pwo1-Mutanten eine verfrühte Blüte zeigen und eine Überexpression von PWO1 den Übergang zur Reproduktionsphase verzögert. Bemerkenswerterweise deutet die Interaktion von PWO1 mit SWP73B, einer zentralen Komponente des SWI/SNF-Chromatin-Remodeling-Komplexes, auf eine zusätzliche Rolle von PWO1 bei der Erleichterung der Chromatinzugänglichkeit durch Nukleosomen-Umstrukturierung hin. Dies untermauert PWO1s Funktion in der transktriptionellen Aktivierung. Weiterhin prognostizieren computergestützte Analysen, wie zum Beispiel QHistone, Assoziationen zwischen PWO1, RNA-Polymerase II und aktiven Chromatinlandschaften und unterstreichen seine Rolle bei der Regulation von Chromatingrenzen und der Transkriptionsaktivierung. Zusammenfassend etabliert diese Studie PWO1 als einen zentralen Organisator von Chromatingrenzen und als Mediator der 3D-Genomarchitektur in Arabidopsis. Durch die Verbindung von linearen Chromatinmerkmalen mit nuklearer Architektur erleichtert PWO1 das dynamische Zusammenspiel zwischen aktiven und repressiven Chromatinzuständen. Diese Erkenntnisse erweitern unser Verständnis der Genomorganisation in Pflanzen und legen eine Grundlage für zukünftige Untersuchungen zu regulatorischen Mechanismen, die der nuklearen Architektur und der Genexpression in Eukaryoten zugrunde liegn.
