Dynamic Polycomb Chromatin Suppresses Aberrant Transcription in Drosophila Immunity

Abstract

Die Modifikation von Chromatin und Histonen sind vielmehr zentrale Ereignisse in der Regulation der Geneexpression. Es ist gut etabliert, dass die Trimethylierung von Histon H3 Lysin 27 (H3K27me3) durch ‚Polycomb group’ (PcG) Proteine epigenetisches Gedächtnis aufrechterhält. Genomweite Analysen haben jedoch gezeigt, dass ein großer Teil des nicht-exprimierten Genoms die H3K27me3 Modifikation trägt. In dieser Arbeit habe ich RNA-seq und ChIP-seq auf Drosophila Plasmatozyten angewendet und ein hochauflösendes Chromatinprofil generiert. Ich konnte zeigen, dass eine Gruppe von Immungenen, die durch H3K27me3 markiert sind, nach einer Immunstimulierung rasch hochreguliert wird. Weiterhin konnte ich durch die Anwendung eines neu entwickelten Genomanalyse-Algorithmus zeigen, dass diese H3K27me3 positiven Gene in einem Chromatinzustand sind, der sich von kanonischem Polycomb Chromatin unterscheidet. Dieser Chromatinzustand hat zwei wichtige Eigenschaften: Erstens beweise ich, dass H3K27me3 als Antwort auf physiologische Stimuli dynamisch reguliert wird. Zweitens weise ich nach, dass es für den Erhalt eines reprimierten Genezustands instruktiv ist. Daher bezeichne ich diesen Chromatinzustand als dynamisches Polycomb Chromatin. Meine weiteren Analysen haben gezeigt, dass dieses dynamisches Polycomb Chromatin in Drosophila Plasmatozyten mit einer großen Zahl anderer dynamisch regulierter Gene assoziieret ist. Einige dieser Gene wurden ebenfalls nach der Depletion von H3K27me3 hochreguliert. Deshalb schlage ich vor, dass dynamisches Polycomb Chromatin einen neuartigen Chromatinzustand darstellt, der an Genen zu finden ist, deren Transkription durch unvorhersehbare Ereignisse ausgelöst wird. Die Reprimierung durch dynamisches Polycomb Chromatin bildet demnach eine Aktivierungschwelle gegen aberrante Transkription, die aber trotzdem eine rasche Geninduktion in physiologisch relevanten Situationen erlaubt.

Modification of chromatin and histones are central events in regulating gene expression. It is clearly established that histone H3 lysine 27 trimethylation (H3K27me3) by Polycomb group (PcG) proteins maintains the repressed state in epigenetic memory. Genome wide analysis revealed that much of the non-transcribed genome carries the H3K27me3 modification. This raises the question, whether this modification is functionally relevant outside of development to preclude activation of genes through physiological signaling. Here, I applied RNA-seq and ChIP-seq to Drosophila plasmatocytes generating a high resolution epigenetic landscape. Thereby, I demonstrated that a set of H3K27me3 marked immune genes was rapidly transcriptionally induced upon challenge. By applying a newly developed genome clustering algorithm, I demonstrated that these H3K27me3 positive genes are in a chromatin state that is distinct from the canonical Polycomb chromatin. This state has two important properties: First, by demonstrating that in plasmatocytes H3K27me3 is depleted specifically at immune genes after activation, I showed that it is dynamically regulated in response to physiological stimulation. Second, by establishing that immune genes were up-regulated when H3K27me3 was depleted, I confirmed that it is instructive in maintaining a silenced gene state. Therefore, I termed this novel chromatin state dynamic Polycomb chromatin. Further analysis revealed that this dynamic Polycomb chromatin state is also associated with a large number of other dynamically regulated genes. Some of these genes were also up-regulated when H3K27me3 is depleted by genetic manipulation. Hence, I propose that dynamic Polycomb chromatin is a novel chromatin state that targets genes which are triggered by non-predetermined signaling events. Silencing by dynamic Polycomb chromatin thresholds such genes against aberrant gene activation, but permits rapid induction in physiologically relevant situations.