The impact of chromatin factors in gene expression noise in a dynamic system

Morales Franco, Marlet (2024): The impact of chromatin factors in gene expression noise in a dynamic system. Dissertation, LMU München: Fakultät für Biologie

Abstract

Gene expression consists of multiple interlinked steps. For a gene to be expressed, chromatin needs to be in an “active” conformation, allowing the binding of the transcriptional machinery. Once a gene is transcribed, the resulting mRNA is processed and exported to the cytoplasm, where it is bound by ribosomes and translated. Every one of these steps is subject to stochastic fluctuations, and thus, cells will exhibit gene expression variability even under the most homogeneous conditions. This cell-to-cell variability has been termed “noise” and exists at the core of processes such as embryonic development, cancer emergence, and antibiotic resistance. In this project, I addressed noise from an environmental adaptation perspective and asked how chromatin-related factors can alter the noise of a gene during induction. I used Saccharomyces cerevisiae undergoing a switch in carbohydrate source as a model system and adopted the endogenous gene Gal1 fused to GFP to quantify noise during gene induction. The project started by analyzing data from a high-throughput screening of Gal1-GFP induction performed in strains lacking a single chromatin-related gene. The screening identified several chromatin factors that affected population heterogeneity of Gal1 while maintaining the same average protein expression level. Subsequent experiments validated that the absence of these factors created higher or lower noise levels during induction, but not when steady-state Gal1 expression was reached. I further addressed gene expression noise at the transcript level. The conclusions were similar when observing Gal1-GFP mRNA, suggesting that transcriptional regulation contributes to the higher or lower noise observed on the Gal1-GFP protein. Mathematical models of the transcript and protein data suggested that some of the identified chromatin factors affected the DNA activation/inactivation of Gal1 but not its transcription or translation, suggesting a potential mechanism for noise emergence. Finally, our findings point towards the anchor domain of Ies2 as indispensable for noise control. My results explore how chromatin regulation, individual cell behavior, and population responses to environmental cues relate to each other. In addition, I highlighted the importance of examining non-steady-states when describing the noise of gene expression.

Abstract

Die Genexpression besteht aus mehreren miteinander verknüpften Schritten. Damit ein Gen exprimiert werden kann, muss sich das Chromatin in einer "aktiven" Konformation befinden, die die Bindung der Transkriptionsmaschinerie ermöglicht. Nach der Transkription eines Gens wird die resultierende mRNA verarbeitet und in das Zytoplasma exportiert, wo sie von Ribosomen gebunden und übersetzt wird. Jeder dieser Schritte ist stochastischen Fluktuationen unterworfen, so dass Zellen selbst unter den homogensten Bedingungen eine Variabilität der Genexpression aufweisen. Diese Variabilität von Zelle zu Zelle wird als "Rauschen" bezeichnet und steht im Mittelpunkt von Prozessen wie der Embryonalentwicklung, der Krebsentstehung und der Antibiotikaresistenz. In diesem Projekt untersuchte ich das Rauschen aus der Perspektive der Umweltanpassung und fragte, wie chromatinbezogene Faktoren das Rauschen eines Gens während der Induktion verändern können. Als Modellsystem verwendete ich Saccharomyces cerevisiae, das eine Umstellung der Kohlenhydratquelle durchläuft, und nahm das endogene Gen Gal1, das mit GFP fusioniert ist, zur Quantifizierung des Rauschens während der Geninduktion. Das Projekt begann mit der Analyse von Daten aus einem Hochdurchsatz-Screening der Gal1-GFP-Induktion in Stämmen, denen ein einzelnes chromatinbezogenes Gen fehlt. Bei diesem Screening wurden mehrere Chromatinfaktoren identifiziert, die die Heterogenität der Gal1-Population bei gleichbleibender durchschnittlicher Proteinexpression beeinflussten. Anschließende Experimente bestätigten, dass das Fehlen dieser Faktoren zu einem höheren oder niedrigeren Rauschen während der Induktion führte, jedoch nicht, wenn der Steady-State der Gal1-Expression erreicht war. Ich untersuchte das Rauschen der Genexpression auch auf der Transkriptionsebene. Die Schlussfolgerungen waren ähnlich, wenn man die Gal1-GFP-mRNA betrachtete, was darauf hindeutet, dass die Transkriptionsregulierung zu dem höheren oder niedrigeren Rauschen beiträgt, das beim Gal1-GFP-Protein beobachtet wird. Mathematische Modelle der Transkript- und Proteindaten legten nahe, dass einige der identifizierten Chromatinfaktoren die DNA-Aktivierung/Inaktivierung von Gal1, nicht aber seine Transkription oder Translation beeinflussen, was auf einen möglichen Mechanismus für die Entstehung von Rauschen hindeutet. Schließlich deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass die Ankerdomäne von Ies2 für die Rauschkontrolle unerlässlich ist. Meine Ergebnisse zeigen, wie die Chromatinregulation, das Verhalten einzelner Zellen und die Reaktionen von Populationen auf Umweltreize miteinander zusammenhängen. Außerdem habe ich deutlich gemacht, wie wichtig es ist, bei der Beschreibung des Rauschens der Genexpression nicht-stationäre Zustände zu untersuchen.

• 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: 7. Oktober 2024
• 1. Bericht­erstatter:in: Schneider, Robert