Characterization of the Trypanosoma brucei genome: from linear sequence to three-dimensional organization

Rabuffo, Claudia (2025): Characterization of the Trypanosoma brucei genome: from linear sequence to three-dimensional organization. Dissertation, LMU München: Faculty of Biology

Abstract

A chromosome-scale genome reference is a fundamental requirement for studying the molecular mechanisms underlying the biology of an organism. However, genome assembly is complicated by both technological and intrinsic limitations, such as the presence of highly repetitive regions. In addition to its linear sequence, understanding how the genome folds is critical as the three-dimensional organization of the genome is intimately linked to transcriptional or post transcriptional mechanisms of gene expression regulation. For example, in metazoans, the spatial proximity between enhancers and promoters is required for gene activation. In Trypanosoma brucei, transcription initiation is unregulated, and transcription levels are rather regulated at the post-transcriptional level. The establishment of a specific inter-chromosomal interaction was found to be crucial for the post-transcriptional processing of the major antigen gene of T. brucei. This observation demonstrated the importance of nuclear architecture in regulating gene expression in trypanosomes, similar to what has been observed in higher eukaryotes where transcription is strictly regulated. However, it also raised the question of whether other genes with unregulated transcription were engaging in specific interactions. In this study, I developed a novel strategy to generate a highly contiguous T. brucei genome assembly. While this strategy is still under optimization, I obtained an improved reference sequence using ultra-long sequencing reads. To study the three-dimensional genome folding of the T. brucei genome and its relationship to transcription, I applied a high-resolution chromosome conformation capture method (Micro-C). Micro-C revealed the presence of hubs of interaction between transcription start sites on the same and on different chromosomes. I also found contacts between other polymerase-class specific elements, such as rDNA and tRNA genes. These inter-chromosomal transcriptional hubs shape the genome organization of T. brucei contribute to the understanding of the relationship between nuclear architecture and transcription in this parasite.

Abstract

Eine chromosomale Genomreferenz ist eine Grundvoraussetzung für die Untersuchung der molekularen Mechanismen, die der Biologie eines Organismus zugrunde liegen. Der Aufbau des Genoms wird jedoch sowohl durch technologische als auch durch inhärente Beschränkungen, wie z. B. das Vorhandensein sich stark wiederholender Regionen, erschwert. Neben der linearen Sequenz ist das Verständnis der Faltung des Genoms von entscheidender Bedeutung, da die dreidimensionale Organisation des Genoms eng mit transkriptionellen oder posttranskriptionellen Mechanismen zur Regulierung der Genexpression verbunden ist. In Metazoen beispielsweise ist die räumliche Nähe von Enhancern und Promotoren für die Genaktivierung erforderlich. Bei Trypanosoma brucei ist die Transkriptionsinitiierung nicht reguliert und die Transkriptionsmengen werden eher auf posttranskriptioneller Ebene reguliert. Die Etablierung einer spezifischen interchromosomalen Interaktion erwies sich als entscheidend für die posttranskriptionale Prozessierung des Hauptantigengens von T. brucei. Diese Beobachtung zeigte die Bedeutung der Kernarchitektur für die Regulation der Genexpression in Trypanosomen, ähnlich wie in höheren Eukaryoten, wo die Transkription streng reguliert wird. Sie warf jedoch auch die Frage auf, ob andere Gene, deren Transkription nicht reguliert wird, an spezifischen Interaktionen beteiligt sind. In dieser Studie habe ich eine neue Strategie entwickelt, um eine hochkohärente genomische Einheit von T. brucei zu generieren. Während diese Strategie noch optimiert wird, habe ich eine verbesserte Referenzsequenz mit ultralangen Sequenzierlesungen erhalten. Um die dreidimensionale Faltung des Genoms von T. brucei und seine Beziehung zur Transkription zu untersuchen, benutzte ich eine hochauflösende Methode zur Erfassung der chromosomalen Konformation (Micro-C). Micro-C zeigte das Vorhandensein von Interaktionsknotenpunkten zwischen Transkriptionsstartstellen auf dem gleichen Chromosom und auf verschiedenen Chromosomen. Ich habe auch Kontakte zwischen anderen Polymeraseklassen-spezifischen Elementen wie rDNA- und tRNA-Genen gefunden. Diese interchromosomalen Transkriptionsknoten bestimmen die Organisation des Genoms von T. brucei und tragen zum Verständnis der Beziehung zwischen Kernarchitektur und Transkription in diesem Parasiten bei.

• Item Type: Theses (Dissertation, LMU Munich)
• Subjects: 500 Natural sciences and mathematics; 500 Natural sciences and mathematics > 570 Life sciences
• Faculties: Faculty of Biology
• Language: English
• Date of oral examination: 19. May 2025
• 1. Referee: Boshart, Michael
• Signature of the printed copy: 0001/UMC 31991