Characterization of labelled regulatory elements in embryonic stem cells and macrophages using quantitative and qualitative methods

Horváth, Attila

Characterization of labelled regulatory elements in embryonic stem cells and macrophages using quantitative and qualitative methods

dc.contributor.advisor	Nagy, László
dc.contributor.advisor	Nagy, Benedek
dc.contributor.author	Horváth, Attila
dc.contributor.department	Molekuláris sejt- és immunbiológia doktori iskola	hu
dc.date.accessioned	2019-05-08T19:13:39Z
dc.date.available	2019-05-08T19:13:39Z
dc.date.created	2019	hu_HU
dc.date.defended	2019-05-16
dc.description.abstract	A sejtek az élet szerkezeti és funkcionális építőkövei. Mindössze néhány - bár jelentős - kivételtől eltekintve a genomi DNS bázissorendje az adott élőlény minden diploid sejtjében azonos. Habár a DNS az adott élőlény minden sejttípus létrejöttéhez tartalmazza a szükséges információt, a differenciálódó sejt sorsa erősen függ a környezeti szignáloktól is. Az így kifejeződő egyedi génexpressziós mintázat határozza meg az érett sejt működését. A többsejtű élőlényekben ezt a szövet-specifikus génexpressziós változékonyságot távoli genomi szabályozó régiók biztosítják. Az elmúlt évtizedben az elterjedt nézet, hogy a PU.1 kötés szükséges és elegendő feltétele a legtöbb szignálfüggő transzkripciós faktorok számára rendelkezésre álló enhanszer repertoár kialakításához. Néhány nemrégiben megjelent makrofággal és más immunsejtekkel kapcsolatos tanulmány azonban felvetette annak lehetőségét, hogy a PU.1 és más kulcs transzkripciós faktoroknak együtt kell kötniük ahhoz, hogy hozzáférhetővé tegyék ezeket a genomi régiókat a szignálfüggő transzkripciós faktorok számára, amelyek majd elindítják saját genomi programjukat. Vizsgálataink során igazoltuk, hogy a Random Forest és a Support Vector Regressor módszerek alkalmasak a kromatin nyitottságának predikciójára a PU.1 és egyéb kulcs transzkripciós faktorok kötéserősségéből. Ezen módszerek amellett, hogy képesek voltak meghatározni az egyes transzkripciós faktorok kötődésének prediktív erejét a kromatin nyitottságra vonatkozóan, felfedett egy korábban ismeretlen, a makrofág genomban gyakran előforduló enhanszer osztályt is. Ezek az ún. ,,jelölt szabályozó elemek” alapállapotban transzkripciós faktor(oka)t kötnek, azonban zárt vagy alacsony nyitottságú kromatin szakaszokon helyezkednek el. A legtöbb makrofág kulcs transzkripciós faktor képes jelölt szabályozó elemekhez kötődni, amelyek polarizációs szignálok hatására funkcionális, aktív enhanszerekké válhatnak. Embrionális őssejtekben végzett kísérleteink azt is megmutatták, hogy az OCT4 nagyszámú, alacsony nyitottságú genomi régiót köt, ahol az OCT4 elengedhetetlen szerepe van az RXR:RAR heterodimer és különböző koregulátorokat rekrutációjában, amely differenciációval összefüggő enhanszer- és génaktivációt okoz. Végül, hálózati motívumok felhasználásával egy összetett hálózatot konstruáltunk, amely leírja az OCT4 kettős szerepét a pluripotens állapotban, valamint a retinsav-indukált neurális differenciáció korai szakaszában. Eredményeik kibővítik a transzkripciós faktor kötés és a kromatin nyitottság közötti összefüggésekkel kapcsolatos korábbi ismereteinket, és rámutattak a ,,jelölt szabályozó elemek” létezésére, amelyek egy lehetséges “alvó” enhanszer állapotot képviselnek, és amelyek stimulusfüggő módon hozzájárulnak génexpressziós szabályozáshoz.	hu_HU
dc.description.abstract	Cells are the basic structural and functional units of life. With a few notable exceptions, the genomic DNA sequence is identical in the nuclei of all diploid cells within an organism. Although genomic DNA contains all the necessary information for creating any of the organisms’ cell types, the fate of an individual cell is defined by the local microenvironment during differentiation. The resulting unique gene expression pattern will define the mature cell’s function. These tissue-specific gene expression variability in multicellular organisms rely on distal regulatory regions. In the past decade, the working model of macrophage enhancer formation was that PU.1 alone is necessary and sufficient to establish and maintain the available enhancer repertoire for most SDTFs activated by external stimuli. However, recent works in macrophages and in other immune cells indicate that PU.1, and other key TFs need to bind collaboratively to make these genomic regions available for SDTFs, which will, in turn, initiate their own genomic programs. Here we demonstrate that Random Forest and Support Vector Regressor methods can predict chromatin openness from the occupancy of PU.1 and other LDTFs. Using these approaches, we could not only assess the accuracy of predictions on chromatin openness, but we could reveal a novel type of enhancer class that is widespread in the macrophage genome. These genomic regions termed ‘labelled regulatory elements’ (LREs) are associated with low accessible or closed chromatin. The majority of key macrophage TFs can form LREs and these genomic regions can be transformed into functional enhancers upon polarization signals. In embryonic stem cells, we found that OCT4 also binds to a large number of low accessible genomic regions, where OCT4 has an indispensable role in recruiting co-regulators, RXR:RAR, leading to differentiation-related enhancer and gene activation. Finally, using network motifs we constructed a composite network describing the dual role of OCT4 in the pluripotent state and in the context of the early steps of RA-induced neurogenesis. In summary, these findings extend our understanding of the connection between TF binding and chromatin openness, and points to the existence of LREs, which may represent a dorment state of enhancer regions and contribute to gene expression regulation in a stimulus-specific manner.	hu_HU
dc.description.corrector	de
dc.format.extent	113	hu_HU
dc.identifier.uri	http://hdl.handle.net/2437/267165
dc.language.iso	hu	hu_HU
dc.language.iso	en	hu_HU
dc.subject	enhanszer	hu_HU
dc.subject	enhancer	hu_HU
dc.subject	epigenomika
dc.subject	transzkripciós szabályozás
dc.subject	makrofágok
dc.subject	embrionális őssejtek
dc.subject	kvantitatív és klalitatív modellezés
dc.subject	felügyelt tanulási modellek
dc.subject	epigenomics
dc.subject	transcriptional regulation
dc.subject	macrophages
dc.subject	embryonic stem cells
dc.subject	quantitative and qualitative modelling
dc.subject	supervised learning models
dc.subject.discipline	Elméleti orvostudományok	hu
dc.subject.sciencefield	Orvostudományok	hu
dc.title	Characterization of labelled regulatory elements in embryonic stem cells and macrophages using quantitative and qualitative methods	hu_HU
dc.title.translated	Jelölt szabályozó elemek szerepének vizsgálata embrionális őssejtekben és makrofágokban kvantitatív és kvalitatív módszerekkel	hu_HU