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Mapping the mouse Allelome reveals tissue-specific regulation

Daniel Andergassen

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Zentrum für Molekulare Biologie

Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)

Doctor of Philosophy-Doktoratsstudium NAWI Bereich Lebenswissenschaften (Dissertationsgebiet: Molekulare Biologie)

Betreuer*in

Denise Barlow

Mitbetreuer*in

Quanah Hudson

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DOI

10.25365/thesis.44620

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-10110.48155.833468-6

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

In Säugetieren können genetische und epigenetische Unterschiede zwischen den elterlichen Allelen zu allele-spezifischer Genexpression (AGE) führen. RNA-seq wurde seit der Entwicklung von Hochdurchsatzsequenzierung verwendet um AGE in Mensch- und Mausgeweben zu detektieren. Da man die DNA-Sequenz der Eltern benötigt, erweist sich ein genomweiter Nachweis von allele-spezifischer Genexpression im Menschen als schwierig. Ein geeigneteres Modell um AGE nachzuweisen stellen Kreuzungen von genetisch unterschiedlichen Stämmen von Labormäuse dar, da die genetischen Unterschiede zwischen vielen Stämmen bereits bekannt sind. Obwohl AGE Detektion mittels RNA-seq eine anerkannte Methode ist, gab es zu Beginn dieser Studie keine bioinformatische Software, die präzise und mit einer niedrigen Fehlerquote, AGE detektiert. Deshalb entwickelten wir im ersten Teil dieser Studie die benutzerfreundliche Software Allelome.PRO, welche mit hoher Präzision allele-spezifische Genexpression oder Histonmodifikationen erfasst. Zusätzlich klassifiziert die Software jedes Gen in einem Zelltyp in eine der folgenden Kategorien: biallelisch, Mausstamm-spezifisch, geprägt oder nicht-informativ. Dadurch wird das gesamte allele-spezifische Bild aller aktiven Gene – „Allelome“ genannt - abgebildet. Im nächsten Schritt verwendeten wir Allelome.PRO um AGE für Protein und nicht-Protein-kodierenden (nk) Gene in 23 Geweben, in jeweils verschiedenen Entwicklungsstadien der Maus, zu identifizieren um das Maus Allelome zu erhalten. Diese Entwicklungsstadien beinhalten pluripotente, embryonale, extra-embryonale, neugeborene und adulte Gewebe. Diese an der Maus neuartige Analyse führte zu folgenden drei Erkenntnissen. Erstens wurden viele Gene mit gewebespezifischer Mausstamm-spezifischer Expression identifiziert und dass dieses Expressionsmuster von naheliegenden Mausstamm-spezifischen Expressions-Aktivatoren reguliert wird. Diese Aktivatoren werden von Histonen mit der H3K27ac Modifikation markiert. Zweitens wurden in 19 weiblichen Geweben eine unerwartet große Zahl an Genen, die dem Prozess der X-Chromosom-Inaktivierung entkommen, genannt „Escaper“, gefunden. Im Gegensatz zu den meisten Studien, die von niedrigen Escaper-Prozenten in der Maus berichten, fanden wir einen dem Menschen ähnlichen Prozentsatz von 15 Prozent. Bemerkenswert ist der hohe Escaper-Anteil von 50 Prozent im adulten Beinmuskel. Drittens konnten wir zeigen das geprägte Gengruppen viel größer sind als bisher angenommen und die Größe dramatisch zwischen Geweben und Entwicklungsstadien variiert. Insbesondere zeigen wir anhand von genetischen Mausmodellen, dass sich die geprägte Igf2r Gengruppe in der Plazenta über zehn Megabasen erstreckt und somit die größte, geprägte Region in der Maus repräsentiert. Zusammenfassend zeigen unsere Ergebnisse, dass AGE welche durch genetische Unterschiede zwischen den Allelen oder durch epigenetische Prozesse, wie X-Chromosom-Inaktivierung oder genomischer Prägung entstehen, überraschend oft gewebespezifisch ist.

Abstract

(Englisch)

In mammals, genetic or epigenetic differences between the parental alleles can results in allele-specific expression. Since the development of high-throughput sequencing, RNA-seq has been used to detect allele-specific expression in human and mouse tissues. Genome-wide detection of allelic expression in human is difficult since it requires genotyping of the parents to distinguish the alleles. In contrast the inbred mouse model is a powerful system to map allele-specific expression since the genetic differences between different laboratory strains are known. Although RNA-seq is a powerful tool, a bioinformatics pipeline with increased sensitivity and low levels of false positive calls was lacking. Here we developed Allelome.PRO, a user-friendly, fully automated bioinformatics pipeline, which robustly detects allele-specific expression or chromatin modification from high-throughput sequencing data. The pipeline automatically characterizes the allelic profile from all genes in one cell type into biallelic, strain-biased, imprinted or non-informative and thus provides the full allelic expression picture, “the Allelome”. Next we used the pipeline to generate the most comprehensive survey of allelic expression for protein and non-coding genes yet known, by conducting RNA-seq on 23 mouse tissues throughout the development, including pluripotent, embryonic, extra-embryonic, neonatal and adult tissues, to map for the first time “the mouse Allelome”. The mouse Allelome reveals that tissue-specific strain-biased expression is correlated with nearby strain-biased H3K27ac enrichment, implying regulation by tissue-specific allelic enhancers. Next we mapped X-chromosome inactivation (XCI) escaper genes in 19 female tissues. In contrast to most previous reports in mouse that reported lower numbers, we found an average of 15% escapers per tissue similar to human, with the notable exception of adult leg muscle that showed 50% escaper genes. In addition we show that imprinted clusters are much larger than previously known, and change their size dramatically among tissues and during development. In particular we genetically demonstrate here that the Igf2r cluster extends over 10Mb in placenta, representing the largest imprinted region in mouse. In summary we find that allelic expression arising from genetic differences between the alleles or from epigenetic processes such as XCI and genomic imprinting, is surprisingly highly tissue-specific.

Autor*innen

Daniel Andergassen

Haupttitel (Englisch)

Mapping the mouse Allelome reveals tissue-specific regulation

Paralleltitel (Deutsch)

Die Charakterisierung des Maus Allelomes zeigt gewebespezifische Regulation

Publikationsjahr

2016

Umfangsangabe

129 Seiten : Illustrationen, Diagramme

Sprache

Englisch

Beurteiler*innen

Stefan Kubicek ,

Christian Seiser

Klassifikation

42 Biologie > 42.13 Molekularbiologie

AC Nummer

AC13422027

Utheses ID

39504

Studienkennzahl

UA | 794 | 685 | 490 |

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