Bioinformatic approaches for understanding chromatin regulation

Abstract

Chromatin plays an essential role in transcriptional regulation and in defining cellular identity. Histones, which are the building blocks of chromatin, can be chemically modified with a diverse set of histone modifications. The histone modifications are placed, read or erased by proteins, called chromatin modifiers. Together, chromatin modifiers and histone modifications are components of a chromatin-signaling network involved in transcription and its regulation. The interactions between chromatin modifiers and histone modifications are often unknown, are based on the analysis of few genes or are studied in vitro. Further, the functional impact of each chromatin modifier or histone modifications on the whole chromatin signaling network are poorly understood. With the present thesis, we aim at improving our understanding of the interactions between chromatin modifiers and histone modifications and their function on a genome-wide scale. To this end, we apply computational methods to large sets of genome-wide DNA- protein binding data. From this data we reconstruct the interactions between chromatin modifiers and histone modifications leading to a global chromatin signaling network. First, we evaluate different network reconstruction methods that have been previously applied to genome-wide DNA-protein data on simulated and Drosophila data. Second, we provide a high-confidence backbone of the chromatin-signaling network at human promoters. We evaluate the detected interactions in the light of literature knowledge and generate novel biological hypotheses for unknown interactions. Finally, we investigate the differences and commonalities between the chromatin-signaling networks at different chromatin environments in mouse. This analysis results in a systems- level view on the different chromatin signaling interactions leading to novel hypotheses on the functional role of chromatin modifiers and histone modifications in defining the chromatin landscape.

Chromatin spielt eine wichtige Rolle in der Transkriptionsregulation und der Definition von Zelltypen. Die Bausteine des Chromatins, die Histonproteine, können chemisch, mit sogenannten Histonmodifikationen, verändert werden. Die Histonmodifikationen selbst werden von sogenannten Chromatin-modifizierenden Proteinen katalysiert, gelesen oder entfernt. Beide Komponenten zusammen ergeben ein komplexes Chromatin-assoziiertes Signalnetzwerk, das maßgeblich am Transkriptionsprozess und seiner Regulierung beteiligt ist. Die spezifischen Interaktionen zwischen den Histonmodifikationen und den Chromatin- modifizierenden Proteinen sind jedoch meist unbekannt oder basieren auf einer gen-spezifischen oder in vitro Analyse. Des Weiteren ist meist die funktionale Bedeutung der einzelnen Interaktionen für das gesamte Chromatin-assoziierte Signalnetzwerk unzureichend bekannt. Die vorliegende Doktorarbeit hat als Zielsetzung die Interaktionen zwischen Chromatin-modifizierenden Proteinen und Histonmodifikationen, sowie deren Funktion genomweit zu charakterisieren. Mit Hilfe großer genomweiter DNA-Protein-Bindungsdatensätzen und computergestützter Methoden lassen sich die Interaktionen zwischen Chromatin- bindenden Proteinen rekonstruieren. Im ersten Teil der Arbeit werden verschiedene Methoden zur Netzwerkrekonstruktion, die für diesen Zweck in frühreren Publikationen verwendet wurden, auf simulierten Daten und Drosophila-Daten verglichen. Im zweiten Teil der Arbeit werden Interaktionen an humanen Promoteren rekonstruiert. Diese werden mit Hilfe einer Literatursuche evaluiert und dienen als Basis für neue biologische Hypothesen über bisher unbekannte Funktionen der Histonmodifikationen und Chromatin- modifizierenden Proteine. Im letzten Teil der Arbeit werden Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen den Chromatin-assoziierten Netzwerken, die für unterschiedlichen Chromatinumgebungen rekonstruiert werden, untersucht. Aus dieser system-orientierten Analyse der Interaktionen lassen sich neue Hypothesen über die Funktion der Histonmodifikationen und den Chromatin- modifizierenden Proteinen bei der Definition verschiedener Chromatinumgebungen ableiten.