dc.contributor.author
Lehmann, Robert
dc.date.accessioned
2018-06-07T15:28:31Z
dc.date.available
2016-04-20T13:21:40.964Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/1123
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-5325
dc.description.abstract
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.
de
dc.description.abstract
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.
de
dc.format.extent
v, 183 Seiten
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
circadian clock
dc.subject
transcription regulation
dc.subject
periodic dinucleotides
dc.subject
RNA polymerase II
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::570 Biowissenschaften; Biologie
dc.title
Hunting for Clues of the Circadian Clock in High Throughput and Genomic Data
dc.contributor.contact
r.lehmann@biologie.hu-berlin.de
dc.contributor.firstReferee
Prof. Dr. Martin Vingron
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Hanspeter Herzel
dc.date.accepted
2016-04-08
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000101840-7
dc.title.translated
Spuren den zirkadianen Uhr in Hochdurchsatz- und genomischen Daten
de
refubium.affiliation
Mathematik und Informatik
de
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FUDISS_thesis_000000101840
refubium.mycore.derivateId
FUDISS_derivate_000000019049
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open access