Divergent chromatin accessibility dynamics promote differentiated enhancer functions and morphological trait evolution

Ling, Liucong (2024): Divergent chromatin accessibility dynamics promote differentiated enhancer functions and morphological trait evolution. Dissertation, LMU München: Fakultät für Biologie

Abstract

Gene cis-regulatory regions regulate specific temporal and spatial gene transcription. Sequence variations in the cis-regulatory areas alter gene transcription and are, therefore, pivotal for the evolution of morphological traits, as well as the development of diseases. Understanding how the regulatory information is encoded in cis-regulatory sequences is essential for deepening our understanding of gene transcriptional regulation. In the group of species akin to the model organism Drosophila melanogaster, many have varied wing pigmentation patterns in males. Previous studies have shown that the expression pattern of a pigmentation-related gene, yellow, in pupal wings prefigured the adult pigmentation pattern. A specific enhancer of yellow regulates its wing expression and underlies the dark pigmentation pattern. The sequence of this enhancer varies among species, explaining changes in yellow expression. Several species, including Drosophila melanogaster, lost the wing pigmentation pattern secondarily during evolution. By which mechanisms this trait was lost remains unclear. In the main project of the present dissertation, by comparing chromatin accessibility throughout pupal wing development between D. melanogaster and a closely related species with wing pigmentation, I uncovered a region of increased chromatin accessibility in D. melanogaster corresponding to a newly evolved silencer. This silencer specifically represses the nearby enhancer regulating the pigmentation pattern. I also found that the transcription factor Eip93F is involved in regulating the increased accessibility of this silencer. Furthermore, enhancer-reporter assays suggested a gain of a repressor site in the region with increased chromatin accessibility. In summary, this project proposes a novel model explaining the evolutionary loss of a trait: the sequence variations gained during evolution resulted in the increased chromatin accessibility of the cis-regulatory region, leading to the recruitment of repressors silencing a nearby enhancer. Moreover, by studying the molecular mechanism of silencing an evolutionary gained enhancer, this dissertation offers new insights into the interplay between enhancers and silencers. Additionally, as part of the present dissertation, I collaborated with my colleagues and contributed to two other projects that centered on the yellow enhancer regulating the wing spot pigmentation pattern. The first project examined the boundary between this recently evolved yellow enhancer and its ancestral counterpart, as well as how they regulate one another. The second project involved analyzing the regulatory syntax of this enhancer to understand how it regulates the expression of yellow in specific spatial patterns.

Abstract

Die cis-regulatorischen Bereiche von Genen kontrollieren die zeitliche und räumliche Gentranskription. Sequenzvariationen in cis-regulatorischen Bereichen können somit Gentranskription verändern und sind dementsprechend von zentraler Bedeutung für die Evolution und Diversifizierung morphologischer Merkmale sowie für das Auftreten von Krankheiten. Die Prinzipien aufzudecken wie regulatorische Informationen in den cis-regulatorischen Sequenzen kodiert sind ist für ein tieferes Verständnis der Gen-Transkriptionsregulation von wesentlicher Bedeutung. Bei nahverwandten Arten vom Modellorganismus Drosophila melanogaster treten bei Männchen diverse Flügelpigmentierungsmuster auf. Frühere Studien belegen, dass das adulte Pigmentierungsmuster mit dem pupalen Expressionsmuster des Pigmentierungsgens, yellow, übereinstimmt. Ferner wurde gezeigt, dass ein spezifischer yellow Enhancer die Genexpression im Flügel reguliert und das dunklen Pigmentierungsmuster bestimmt. Die Sequenz dieses Enhancers ist artspezifisch unterschiedlich, was die Diversität des Pigmentierungsmusters sowie die Veränderung der yellow Expression zwischen Arten erklärt. Mehrere Arten, darunter Drosophila melanogaster, haben die Flügelpigmentierung im Laufe der Evolution unabhängig voneinander sekundär verloren. Welche Mechanismen dem Merkmalsverlust verursachen ist unklar. Das Hauptprojekts dieser Dissertation ist der Vergleich der Chromatin-Zugänglichkeit von D. melanogaster mit einer eng verwandten Art mit Flügelpigmentierung während der Entwicklung der Puppenflügel. Hierbei wurde eine Region mit erhöhter Chromatin-Zugänglichkeit in D. melanogaster aufgedeckt, die einem neu evolvierten Silencer entspricht. Dieser Silencer unterdrückt spezifisch den nahe gelegenen Enhancer, der das Pigmentierungsmuster reguliert. Ich fand auch heraus, dass der Transkriptionsfaktor Eip93F an der Regulierung der erhöhten Zugänglichkeit dieses Silencers beteiligt ist. Darüber hinaus deuten Enhancer-Reporter-Assays darauf hin, dass in der Region mit erhöhter Chromatin-Zugänglichkeit eine Repressorstelle hinzugekommen ist. Zusammenfassend, lässt sich durch diese neuen Erkenntnisse ein neuartiges Modell aufstellen, welches den evolutionären Verlust eines Merkmals erklärt: Die im Laufe der Evolution erworbenen Sequenzvariationen führten zu einer erhöhten Chromatin-Zugänglichkeit der cis-regulatorischen Region. Dieses führt gleichzeitig zur Rekrutierung von Repressoren welche nahe gelegene Enhancer beeinflussen. Durch die Untersuchung des molekularen Mechanismus des Silencing eines evolutionär gewonnenen Enhancers bietet diese Dissertation neue Einblicke in das Zusammenspiel von Enhancern und Silencern. Darüber hinaus habe ich im Rahmen dieser Dissertation an zwei weiteren Projekten mitgewirkt, die sich mit dem yellow Enhancer beschäftigten. Das erste Projekt untersuchte die Grenzen zwischen neu evolvierten Enhancerelementen sowie die Art und Weise, wie sie sich gegenseitig regulieren. Das zweite Projekt befasste sich mit der Analyse der regulatorischen Syntax dieses Enhancers, um zu verstehen, wie die Expression von yellow in bestimmten räumlichen Mustern reguliert wird.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
• Fakultäten: Fakultät für Biologie
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 21. Juni 2024
• 1. Bericht­erstatter:in: Gompel, Nicolas