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The interplay between chromatin states and transcription factors fine-tune gene expression in land plants
Vikas Shukla
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doctor of Philosophy-Doktoratsstudium Molecular Biosciences Molekulare Biologie
Betreuer*in
Frederic Berger
DOI
10.25365/thesis.80550
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-22498.39895.122098-7
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Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Die Chromatinorganisation prägt die Genexpression durch Histonvarianten und -modifikationen, um fein abgestimmte regulatorische Umgebungen zu schaffen, die von transkriptionellen Effektoren wie Transkriptionsfaktoren (TFs) gelesen werden können. Diese regulatorischen Umgebungen sind in Chromatinzustände organisiert: die wahrscheinlichsten Kombinationen von Histonvarianten und -modifikationen, die genomische Regionen definieren. Komplexe Wechselwirkungen zwischen TFs und Chromatinzuständen bestimmen Genexpressionsmuster. Während diese bei Tieren gut charakterisiert sind, blieben Chromatinzustände und ihr Zusammenspiel mit TFs bei Landpflanzen schlecht verstanden. Diese Dissertation präsentiert eine umfassende Analyse der Chromatinorganisation und ihrer Wechselwirkungen mit TFs bei Landpflanzen. Unter Verwendung von ChromHMM mit 27 Histonmodifikationen und -varianten identifizierten wir 26 verschiedene Chromatinzustände in Arabidopsis thaliana. Durch systematische Analysen zeigten wir, dass H2A-Varianten wichtige Determinanten der Chromatinzustandsidentität sind: H2A.W markiert konstitutives Heterochromatin, H2A.Z definiert fakultatives Heterochromatin, und H2A/H2A.X reichern Euchromatin an, was die Ansicht in Frage stellt, dass Histonmodifikationen primär die Chromatinorganisation antreiben. Eine vergleichende Analyse zwischen Arabidopsis und Marchantia (über 450 Millionen Jahre divergiert) zeigte eine bemerkenswerte Konservierung der Chromatinzustände, einschließlich der H2A-Varianten-Domänen-Beziehungen, was auf eine frühe Etablierung fundamentaler regulatorischer Mechanismen bei Landpflanzen hinweist. Wir entwickelten ein TF-Aktivitätsbewertungssystem, das Bindungsdaten mit Genkoexpression integriert, um funktionelle TF-Bindungsereignisse zu unterscheiden. Dies enthüllte drei TF-Gruppen basierend auf Chromatinpräferenzen und identifizierte potenzielle Kandidaten für Pionier-Transkriptionsfaktoren, die repressive Chromatinzustände binden. Diese Arbeit etabliert Chromatinzustände als ein konserviertes pflanzliches regulatorisches Framework. Histonvarianten dienen als molekulare Orientierungspunkte, die Modifikationen in funktionelle Domänen organisieren, während TFs durch spezialisierte Bindungspräferenzen navigieren. Diese Erkenntnisse bieten ein umfassendes Verständnis der pflanzlichen Genregulation und enthüllen die evolutionäre Konservierung chromatin-vermittelter transkriptioneller Kontrolle bei Landpflanzen.
Abstract
(Englisch)
Chromatin organization shapes gene expression through histone variants and modifications to create fine-tuned regulatory environments readable by transcriptional effectors like transcription factors (TFs). These regulatory environments are organized into chromatin states: the most likely combinations of histone variants and modifications that define genomic regions. Complex interactions between TFs and chromatin states determine gene expression patterns. While well-characterized in animals, chromatin states and their interplay with TFs in land plants remained poorly understood. This thesis presents a comprehensive analysis of chromatin organization and its interactions with TFs in land plants. Using ChromHMM with 27 histone modifications and variants, we identified 26 distinct chromatin states in Arabidopsis thaliana. Through systematic analyses, we demonstrated that H2A variants are major determinants of chromatin state identity: H2A.W marks constitutive heterochromatin, H2A.Z defines facultative heterochromatin, and H2A/H2A.X enrich euchromatin, challenging the view that histone modifications primarily drive chromatin organization. Comparative analysis between Arabidopsis and Marchantia (450+ million years diverged) showed remarkable chromatin state conservation, including H2A variant-domain relationships, indicating early establishment of fundamental regulatory mechanisms in land plants. We developed a TF activity scoring system integrating binding data with gene co-expression to distinguish functional TF binding occurrences. This revealed three TF groups based on chromatin preferences and identified potential candidate pioneer transcription factors binding repressive chromatin states. This work establishes chromatin states as a conserved plant regulatory framework. Histone variants serve as molecular landmarks organizing modifications into functional domains, while TFs navigate through specialized binding preferences. These findings provide comprehensive understanding of plant gene regulation, revealing evolutionary conservation of chromatin-mediated transcriptional control in land plants.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Chromatinorganisation Histonvarianten Histonmodifikationen Genexpression Transkriptionsfaktoren Arabidopsis Marchantia H2A Varianten Heterochromatin Euchromatin ChromHMM Landpflanzen Genregulation Epigenetik Chromatin Zustände
Schlagwörter
(Englisch)
Chromatin organization Histone variants Histone modifications Gene expression Transcription factors Chromatin states Land plants Epigenetics H2A variants Gene regulation
Autor*innen
Vikas Shukla 
Haupttitel (Englisch)
The interplay between chromatin states and transcription factors fine-tune gene expression in land plants
Publikationsjahr
2025
Umfangsangabe
vii, 155 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Anton Goloborodko ,
Crisanto Gutierrez
AC Nummer
AC17793548
Utheses ID
78896
Studienkennzahl
UA | 794 | 620 | 490 |