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translating ribosome affinity purification for cell PDF

172 Pages·2014·22.8 MB·English
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Aus  dem  Adolf-­‐Butenandt-­‐Institut   Lehrstuhl  Physiologische  Chemie   der  Ludwig-­‐Maximilians-­‐Universität  München   Vorstand:  Prof.  Dr.  Andreas  Ladurner           Cell-­‐type-­‐specific  approaches     for  dissecting  gene  activity  and  chromatin  structure     within  the  Drosophila  head         Dissertation   zum  Erwerb  des  Doktorgrades  der  Naturwissenschaften   an  der  Medizinischen  Fakultät   der  Ludwig-­‐Maximilians-­‐Universität         vorgelegt  von   Tamás  Schauer   aus  Mohács  (Ungarn)   2013 Gedruckt  mit  Genehmigung  der  Medizinischen  Fakultät   der  Ludwig-­‐Maximilians-­‐Universität  München           Betreuer:  Prof.  Dr.  Andreas  Ladurner   Zweitgutachter:  Prof.  Dr.  Ralph  A.W.  Rupp   Dekan:  Prof.  Dr.  med.  Dr.  h.c.  M.  Reiser,  FACR,  FRCR   Tag  der  mündlichen  Prüfung:  01.08.2014           2 Eidesstattliche  Versicherung           Schauer,  Tamás       Ich  erkläre  hiermit  an  Eides  statt,       dass  ich  die  vorliegende  Dissertation  mit  dem  Thema       "Cell-­‐type-­‐specific   approaches   for   dissecting   gene   activity   and   chromatin   structure  within  the  Drosophila  head"       selbständig  verfasst,  mich  außer  der  angegebenen  keiner  weiteren  Hilfsmittel  bedient   und  alle  Erkenntnisse,  die  aus  dem  Schrifttum  ganz  oder  annähernd  übernommen  sind,   als  solche  kenntlich  gemacht  und  nach  ihrer  Herkunft  unter  Bezeichnung  der  Fundstelle   einzeln  nachgewiesen  habe.       Ich  erkläre  des  Weiteren,  dass  die  hier  vorgelegte  Dissertation  nicht  in  gleicher  oder  in   ähnlicher  Form  bei  einer  anderen  Stelle  zur  Erlangung  eines  akademischen  Grades   eingereicht  wurde.                   Ort,  Datum                 Unterschrift  Doktorand         3 Acknowledgements       Foremost   I   would   like   to   thank   Prof.   Dr.   Andreas   Ladurner   for   giving   me   the   opportunity  to  work  on  my  PhD  project  in  his  group  at  EMBL  and  in  his  department  at   LMU.  It  would  have  been  impossible  to  start,  manage  and  finish  my  PhD  work  without  his   guidance  and  support.     I   am   especially   grateful   to   Dr.   Carla   Margulies   for   the   successful   co-­‐work,   the   motivating  discussions  and  the  useful  feedback  that  helped  the  progress  of  my  PhD  project.   Thank  you  for  the  scientific  and  non-­‐scientific  input,  the  active  co-­‐writing  of  our  papers   and  the  careful  reading  of  my  thesis  manuscript.     My   special   thanks   go   to   Dr.   Petra   Schwalie   for   the   fruitful   collaboration   and   discussions.  Thank  you  for  your  enthusiastic  work  in  analyzing  my  data  what  was  crucial   to  write  this  manuscript.     I  wish  to  acknowledge  Sandra  Esser  at  LMU  and  Bianca  Nijmejer  at  EMBL  for  the   technical  support.     I  am  also  grateful  to  Dr.  Anton  Eberharter  and  Dr.  Corey  Laverty  for  all  the  scientific   and  management-­‐related  help  including  reading  this  thesis.     I  also  would  to  thank  all  members  of  the  Ladurner  group/department  and  Margulies   group,  especially  Ava  Handley  for  the  discussions  and  helping  each  others´  work  as  well  as   Dr.  Gyula  Timinszky  and  Dr.  Markus  Hassler  for  the  scientific  advices.     At  last  but  not  at  least  I  thank  my  family,  my  parents,  my  friends  in  Hungary  and  in   Germany  as  well  as  my  life  partner  for  supporting  and  motivating  me  in  good  and  bad   times.             4 Table  of  Contents       Table  of  Contents   1  SUMMARY  ................................................................................................................  7   1.1  Summary  (in  English)  .....................................................................................................................................  7   1.2  Zusammenfassung  ...........................................................................................................................................  9   2  INTRODUCTION  .....................................................................................................  13   2.1  Epigenetic  landscape  of  development  ...................................................................................................  14   2.1.1  Development  of  major  cell-­‐lineages  in  Drosophila  .............................................................................  15   2.1.2  Cell  types  of  the  fly  head  .....................................................................................................................................  17   2.1.3  Gene  regulatory  networks  .................................................................................................................................  23   2.2  Regulation  of  gene  expression  .................................................................................................................  25   2.2.1  RNA  polymerase  II-­‐mediated  transcription  ............................................................................................  26   2.2.2  Chromatin  structure  and  function  ................................................................................................................  29   2.2.3  Post-­‐transcriptional  regulation  .....................................................................................................................  38   2.3  Cell-­‐type-­‐specific  approaches  to  dissect  gene  activity  .....................................................................  41   2.3.1  General  workflow  ...................................................................................................................................................  41   2.3.2  Chromatin  mapping-­‐based  methods  ...........................................................................................................  44   2.3.3  RNA  profiling-­‐based  methods  .........................................................................................................................  46   2.3.4  Data  analysis  .............................................................................................................................................................  50   2.3.5  Validation  of  cell  type  specificity  ...................................................................................................................  50   2.3.6  Perspectives  ...............................................................................................................................................................  52   2.4  Aims  of  the  thesis  ..........................................................................................................................................  53   3  CAST-­‐CHIP  –  CHROMATIN  AFFINITY  PURIFICATION  FROM  SPECIFIC  CELL  TYPES  ........  54   3.1  Summary  ..........................................................................................................................................................  54   3.2  Introduction  ....................................................................................................................................................  55   3.3  Methods  ............................................................................................................................................................  56   3.3.1  Experimental  procedures  ..................................................................................................................................  56   3.3.2  Data  analysis  .............................................................................................................................................................  58   3.4  Results  ..............................................................................................................................................................  60   3.4.1  Cell-­‐type-­‐specific  gene  activity  maps  using  CAST-­‐ChIP  ....................................................................  60   3.4.2  Validation  of  CAST-­‐ChIP  ......................................................................................................................................  67   3.5  Discussion  .......................................................................................................................................................  74   4  H2A.Z  –  AN  EPIGENETIC  MARK  FOR  UBIQUITOUS  GENE  ACTIVITY  .............................  76   4.1  Summary  ..........................................................................................................................................................  76   4.2  Introduction  ....................................................................................................................................................  77   4.3  Methods  ............................................................................................................................................................  78         5 Table  of  Contents     4.3.1  Experimental  procedures  ..................................................................................................................................  78   4.3.2  Data  analysis  .............................................................................................................................................................  79   4.4  Results  ..............................................................................................................................................................  82   4.4.1  H2A.Z  is  an  active  mark  in  differentiated  cell  types  of  the  fly  CNS  ............................................  82   4.4.2  H2A.Z  associates  with  chromatin  domains  that  display  ubiquitous  gene  expression  ...  94   4.5  Discussion  .......................................................................................................................................................  98   5  TRAP  –  TRANSLATING  RIBOSOME  AFFINITY  PURIFICATION  FOR  CELL-­‐TYPE-­‐SPECIFIC   TRANSLATOME  PROFILING  ........................................................................................  101   5.1  Summary  ........................................................................................................................................................  101   5.2  Introduction  ..................................................................................................................................................  102   5.3  Methods  ..........................................................................................................................................................  103   5.3.1  Experimental  procedures  ...............................................................................................................................  103   5.3.2  Data  analysis  ..........................................................................................................................................................  105   5.4  Results  ............................................................................................................................................................  107   5.4.1  Establishing  TRAP  in  Drosophila  ................................................................................................................  107   5.4.2  Genome-­‐wide  TRAP  profiling  .......................................................................................................................  115   5.5  Discussion  .....................................................................................................................................................  128   6  DISCUSSION  ............................................................................................................  131   6.1  CAST-­‐ChIP,  a  tool  for  cell-­‐type-­‐specific  chromatin  mapping  .......................................................  132   6.2  Ubiquitous  genes,  are  they  special?  ......................................................................................................  134   6.3  TRAP,  profiling  mRNA  from  cell  types  .................................................................................................  137   6.4  Perspective  ....................................................................................................................................................  138   7  LIST  OF  FIGURES  AND  TABLES  .................................................................................  141   8  ABBREVIATIONS  .....................................................................................................  143   9  APPENDIX  ...............................................................................................................  144   9.1  CAST-­‐ChIP  protocol  ....................................................................................................................................  144   9.1.1  Chromatin  preparation  ....................................................................................................................................  144   9.1.2  Chromatin  Immunoprecipitation  ...............................................................................................................  146   9.2  TRAP  protocol  ..............................................................................................................................................  147   9.2.1  TRAP  procedure  ...................................................................................................................................................  147   10  BIBLIOGRAPHY  .....................................................................................................  150             6 Summary     1  Summary     1.1  Summary  (in  English)     Multicellular   organisms   develop   from   a   single   cell   (the   zygote)   and   each   cell   type   inherits  the  same  genetic  material  from  the  zygote.  Adult  organisms  are  composed  of   terminally  differentiated  cell  populations  that  carry  the  same  genome  but  differential   epigenomes.  The  epigenome  consists  of  modifications  or  marks  of  the  genome  that   determine  which  genes  are  activated  or  repressed.  The  differential  activity  of  genes  in   distinct  cells  maintains  their  phenotype,  identity  and  function.  However,  there  have   been  few  tools  available  until  recently  that  would  allow  us  to  profile  gene  activity  at  the   level  of  specific  cell  types.  The  lack  of  easily  applicable,  efficient  cell-­‐type-­‐specific  tools   prompted  me  to  develop  novel  biochemical  methods  and  to  refine  existing  protocols  for   profiling   transcription,   chromatin   and   mRNA   levels   genome-­‐wide.   I   used   cephalic   (head)  cell  types  of  the  adult  fruit  fly  (Drosophila  melanogaster)  as  a  model  system  to   study  differential  gene  activity  in  differentiated  cell  types  including  neurons,  glia  and   the  fat  body  (adipocytes).       First,   I   developed   a   biochemical   method,   CAST-­‐ChIP   (Chromatin   Affinity   Purification  from  Specific  cell  Types),  a  combination  of  the  UAS/Gal4  expression  system   and   the   affinity   purification   of   tagged   chromatin-­‐bound   reporters.   To   study   transcription  in  distinct  cell  types,  I  expressed  a  tagged  subunit  of  the  RNA  polymerase   II  complex  in  the  cell  type  of  interest  and  used  the  tag  to  generate  cell-­‐type-­‐specific,   genome-­‐wide  ChIP  profiles.  RNA  polymerase  II  marks  about  1500  genes  unique  to   neurons  or  glia.  Genes  identified  as  neuronal  share  characteristic  cellular  function  such   as  axon  guidance  of  neurons  and  are  expressed  in  other  neuronal  tissues,  such  as  the   larval   central   nervous   system.   Furthermore,   I   demonstrated   that   genomic   regions   marked  by  cell-­‐type-­‐specific  RNA  polymerase  II  show  GFP-­‐reporter  activity  localized   within  the  labeled  cell  populations.  This  incidates  that  RNA  polymerase  II  profiling  is  a   suitable  tool  to  distinguish  gene  activity  in  different  cell  types.     Second,   I   applied   CAST-­‐ChIP   to   study   chromatin   structure   of   cell   types   by   profiling  the  incorporation  of  the  active  histone  variant  (H2A.Z),  as  a  proof-­‐of-­‐principle         7 Summary     to  study  differences  in  chromatin  structure  between  unrelated  cell  types.  I  found  H2A.Z   present   at   expressed   genes   and   absent   from   inactive   genes,   as   shown   previously.   However,  H2A.Z-­‐enriched  regions  do  not  completely  overlap  with  RNA  polymerase  II   regions.  Interestingly,  RNA  polymerase  II-­‐bound  genes  lacking  H2A.Z  differ  the  most  in   their  expression  among  dissected  tissues.  Therefore,  I  hypothesized  that  H2A.Z  labels   genes  that  are  expressed  in  a  cell-­‐type-­‐independent  manner.  To  test  this,  I  used  CAST-­‐ ChIP   to   compare   the   cell-­‐type-­‐specific   incorporation   of   H2A.Z.   Surprisingly,   H2A.Z   profiles  are  remarkably  similar  in  neurons  and  glia,  with  only  about  hundred  significant   differences.  In  addition,  H2A.Z  is  present  at  those  regions  which  share  RNA  polymerase   II  in  both  cell  types  and  is  absent  from  cell-­‐type-­‐specific  regions.  ChIP  analysis  of  the  fat   body,  which  is  another  head  cell  type  with  a  different  developmental  origin,  led  to  the   same  results.  To  validate  these  findings  by  comparing  distinct  developmental  stages,  I   found  only  a  few  H2A.Z  and  thousands  of  RNA  polymerase  II  regions  that  differ  between   the  embryo  and  adult  head  tissues.  Thus,  CAST-­‐ChIP  revealed  a  novel  function  of  H2A.Z   in  marking  genes  with  ubiquitous,  cell-­‐type-­‐invariant  expression.  Using  this  approach,  I   could  distinguish  between  ubiquitous  (house-­‐keeping)  and  specifically  regulated  genes.   Together  with  analyses  conducted  by  other  groups,  I  found  that  ubiquitous  genes  share   common  regulatory  features  including  promoter  structure  and  gene  length,  and  they   form  clusters  marked  by  insulator  binding  proteins.     Third,   I   refined   a   fly   RNA   profiling   approach   (TRAP:   Translating   Ribosome   Affinity  Purification),  first  developed  for  the  mouse,  to  obtain  information  about  cell-­‐ type-­‐specific  post-­‐transcriptional  processes  that  regulate  cellular  function  downstream   to  transcription.  TRAP  measures  the  ribosome-­‐bound  fraction  of  RNA  and  therefore   identifies  genes  that  are  not  only  transcribed  but  also  translated  (translatome).  The   dynamic  range  of  TRAP  was  greater  compared  to  the  previous  ChIP-­‐based  methods  and   I  identified  twice  as  many  transcripts  as  RNA  polymerase  II-­‐bound  genes  using  CAST-­‐ ChIP,  indicating  the  greater  resolution  of  the  ribosome-­‐tagging  method.  Using  TRAP  I   uncovered  transcripts  carrying  relevant  neuronal  functions  that  were  hidden  in  the   CAST-­‐ChIP  data  lacking  RNA  polymerase  II  peaks.  Several  studies  revealed  that  mild   stress  conditions  induce  changes  only  on  the  translational  level;  therefore,  TRAP  is  a   suitable  tool  to  study  such  responses  in  various  cell  types.     In  summary,  in  my  PhD  thesis  I  present  and  compare  cell-­‐type-­‐specific  methods   to  profile  gene  activity  in  Drosophila  differentiated  cells.  I  developed  a  novel  method         8 Summary     (CAST-­‐ChIP)  and  applied  an  existing  method  (TRAP)  to  map  1)  transcription  using  RNA   polymerase  II  CAST-­‐ChIP;  2)  chromatin  structure  using  H2A.Z  CAST-­‐ChIP  and  3)  the   translatome   of   ribosome-­‐bound   mRNA   using   TRAP.   My   results   give   useful,   novel   information  for  the  scientific  community:  1)  the  cell-­‐type-­‐specific  profiles  serve  as  a   compendium  of  genes  involved  in  the  maintenance  of  cell  identity  and  function;  2)  using   these   approaches,   I   discovered   a   novel   function   of   H2A.Z   marking   ubiquitous/   housekeeping  genes,  highlighting  the  differential  regulation  of  cell-­‐type-­‐specific  genes;   3)  ChIP  profiling  does  not  identify  all  differences  among  cell  types  and  therefore  post-­‐ transcriptional  profiling  has  to  be  involved  in  the  analysis.     Cell-­‐type-­‐specific  approaches  presented  in  this  thesis  are  promising  tools  that   will   allow   us   to   describe   cellular   responses   upon   environmental   perturbation,   identifying  differential  responses  to  environmental  change  in  distinct  cell  populations.       1.2  Zusammenfassung       Mehrzellige  Organismen  entwickeln  sich  aus  einer  einzigen  Zelle  (der  Zygote)  und  jede   Zelle  erbt  das  gleiche  genetische  Material  aus  der  Zygote.  Die  adulten  Organismen  sind   aus  terminal  differenzierten  Zellpopulationen  zusammengesetzt,  die  das  gleiche  Genom,   aber  unterschiedliche  Epigenome  tragen.  Das  Epigenom  besteht  aus  Modifikationen   oder   Markierungen   des   Genoms.   Diese   bestimmen,   welche   Gene   aktiviert   oder   reprimiert   werden.   Die   unterschiedliche   Aktivität   von   Genen   in   unterschiedlichen   Zellen  erhält  deren  Phänotyp,  Identität  und  Funktion  aufrecht.  Der  Mangel  an  leicht   anwendbaren   und   effizienten   Zelltyp-­‐spezifischen   Werkzeugen   hat   mich   dazu   veranlasst,     neuartige   biochemische   Methoden   zu   entwickeln   und   bestehende   Protokolle  zu  verfeinern.  Dadurch  kann  die  Transkription,  die  Chromatinstruktur  und   die   Menge   an   mRNA   Zelltyp-­‐spezifisch,   genomweit   profiliert   werden.   Ich   benutzte   Zellen  vom  Kopf  der  adulten  Fruchtfliege  (Drosophila  melanogaster)  als  Modellsystem   um  die  Genaktivität  der  differenzierten  Zelltypen  wie  Neuronen,  Glia  und  Fettzellen  zu   untersuchen.     Zuerst   entwickelte   ich   ein   biochemisches   Verfahren,   CAST-­‐ChIP   (Chromatin   Affinitätsreinigung  von  spezifischen  Zelltypen)  genannt,  welches  eine  Kombination  aus   dem   UAS/Gal4   Expressionssystem   und   aus   einer   Affinitätsreinigung   von   einem         9 Summary     markierten   Chromatin-­‐gebundenen   Reporter   darstellt.   Um   die   Transkription   in   verschiedenen  Zelltypen  zu  untersuchen,  exprimierte  ich  eine  markierte  Untereinheit   des   RNA   Polymerase   II   Komplex   im   Zelltyp   von   Interesse   und   erzeugte   Zelltyp-­‐ spezifische,  genomweite  ChIP  Profile.  RNA-­‐Polymerase  II  markiert  etwa  1500  Gene   spezifisch  für  Neuronen  oder  Gliazellen.  Gene,  die  als  Neuron-­‐spezifisch  identifiziert   wurden,   haben   charakteristische   zelluläre   Funktionen,   wie   zum   Beispiel   die   Axon   Führung  von  Neuronen.  Sie  werden  auch  in  anderen  neuronalen  Geweben  sowie  im   larvalen   Zentralnervensystem   exprimiert.   Außerdem   zeigte   ich,   dass   genomische   Regionen,   die   von   Zelltyp-­‐spezifischer   RNA   Polymerase   II   gebunden   sind,   GFP-­‐ Reporter-­‐Aktivität   innerhalb   der   markierten   Zellpopulationen   zeigen,   was   darauf   hindeutet,   dass   das   RNA-­‐Polymerase   II   "Profiling"   eine   geeignete   Methode   ist,   um   Zelltyp-­‐spezifische  Gen-­‐Aktivitäten  unterscheiden  zu  können.     Zweitens,  ich  verwendete  CAST-­‐ChIP  zur  Untersuchung  der  Chromatin-­‐Struktur   verschiedener   Zelltypen   und   erstellten   Profile   für   den   Einbau   der   aktiven   Histon   Variante  H2A.Z  ins  Chromatin.  Ich  fand  eine  Inkorporation  von  H2A.Z  bei  exprimierten   Genen   und   keinen   H2A.Z   Einbau   bei   inaktiven   Genen,   wie   bereits   gezeigt   wurde.   Allerdings  überlappten  die  H2A.Z  angereicherten  Regionen  nicht  vollständig  mit  den   RNA-­‐Polymerase  II  Regionen.  Interessanterweise  unterschieden  sich  die  Gene,  die  von   RNA-­‐Polymerase   II   jedoch   nicht   von   H2A.Z   gebunden   wurden,   in   ihrer   Expression   zwischen   sezierten   Geweben.   Daher   stellte   ich   die   Hypothese   auf,   dass   die   H2A.Z-­‐ markierten  Gene  in  einer  Zelltyp-­‐unabhängigen  Weise  exprimiert  werden.  Um  dies  zu   testen,  vergliche  ich  den  Zelltyp-­‐spezifischen  Einbau  von  H2A.Z  mit  der  CAST-­‐ChIP   Methode.   Überraschenderweise   sind   die   H2A.Z   Profile   bemerkenswert   ähnlich   in   Neuronen  und  Gliazellen,  mit  nur  etwa  hundert  signifikanten  Unterschieden.  Darüber   hinaus  ist  H2A.Z  anwesend  in  den  Regionen,  die  auch  RNA-­‐Polymerase  II  in  beiden   Zelltypen   (Neuronen   und   Gliazellen)   aufweisen,   fehlt   jedoch   in   Zelltyp-­‐spezifischen   Regionen.   ChIP   "Profiling"   in   einem   anderen   Zelltyp   mit   einer   unterschiedlichen   Entwicklungsherkunft  (z.B.  Fettzellen  im  Kopf)  ergab  die  gleichen  Ergebnisse.  Um  die   Resultate  durch  einen  Vergleich  verschiedener  Entwicklungsstadien  zu  validieren,  fand   ich  nur  ein  paar  H2A.Z  und  Tausende  von  RNA  Polymerase  II  unterschiedliche  Regionen   zwischen  Embryos  und  Kopfgewebe  im  adulten  Stadium.  So  ergab  die  Anwendung  von   CAST-­‐ChIP  eine  neue  Funktion  von  H2A.Z    als  eine  bestimmte  Markierung  von  Genen,   die   ubiquitär   und   Zelltyp-­‐unabhängig   exprimiert   werden.   Mit   Hilfe   dieser   Methode         10

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It would have been impossible to start, manage and finish my PhD work without his guidance and adapted a method for Drosophila, TRAP (Translating Ribosome Affinity Purification; chapter 5). the other hand, one has to be careful with GO terminology, since the annotation is far from being
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