Maintenance of cellular memory through replication

通过复制维持细胞记忆

• 批准号: 10224724
• 负责人: Srinivas Ramachandran
• 金额: $ 38.88万
• 依托单位: UNIVERSITY OF COLORADO DENVER
• 依托单位国家: 美国
• 财政年份: 2019
• 资助国家: 美国
• 起止时间: 2019-08-09 至 2024-07-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://reporter.nih.gov/project-details/10224724
• 关键词: Adult; Binding; Binding Sites; Biological; Cell Cycle; Cell division; Cells; Chromatin; DNA; DNA replication fork; Development; Disease; Embryo; Enhancers; Gene Expression; Genes; Genetic Transcription; Genome; Genomics; Goals; Growth; Histone H3; Investigation; Lead; Maintenance; Memory; Methods; Nucleosomes; Organism; Polycomb; Proteins; Replication-Associated Process; Repression; Shapes; Site; Time; cell type; chromatin remodeling; epigenetic silencing; gene repression; genome-wide; programs; promoter; transcription factor

SUMMARY  The ability to express different genes in different cell types is crucial to development of a  multicellular  organism.  This  cell-­type  specific  gene  expression  relies  on  memory  of  activation  and  repression  of  genes  through  successive  rounds  of  cell  division  as  the  organism develops from an embryo to an adult. An important component of the memory  of cellular identity is the cell’s chromatin state. To maintain a transcriptional program, the  cell  has  to  maintain  accessibility  at  active  promoters  and  enhancers  and  occlusion  at  repressed  promoters  and  enhancers.  However,  the  passage  of  replication  forks  during  every cell cycle obliterates cell-­type specific chromatin landscapes. Our overarching goal  is to determine how chromatin landscapes are sustained in spite of nucleosome dynamics  throughout  the  cell  cycle,  thus  maintaining  cellular  memory.  Here,  we  will  use  genomic  methods  we  develop(ed)  to  identify  cellular  mechanisms  that  maintain  chromatin  landscapes  despite  the  erasing  effects  of  replication.  We  will  pursue  two  lines  of  investigations: First, we will identify how transcription factors find their binding sites after  being  stripped  from  the  DNA  during  process  of  replication.  We  have  shown  that  transcription  factors  are  replaced  by  nucleosomes  genome-­wide  post-­replication.  By  tracking  transcription  factor  binding  to  DNA  and  DNA  accessibility  as  a  function  of  time  post-­replication,  we  will  uncover  the  determinants  of  transcription  factor  site  selectivity.  We  will  also  study  the  effect  of  chromatin  remodeler  function  in  creating  transcription  factor  binding  sites post-­replication.  Second, we  will  elucidate  cellular  mechanisms  that  maintain  repressed  chromatin  landscapes  through  replication  at  epigenetically  silenced  domains that are characterized by trimethylated histone H3 (H3K27me3), which we call  “Polycomb  domains”.  Polycomb  group  proteins  maintain  repressed  states  at  these  domains.  Mechanisms  that  carry  memory  of  repression  through  replication  have  to  act  within  a  single  cell  cycle,  every  cell  cycle.  We  will  combine  tracking  chromatin  states  genome-­wide  post-­replication  with  carefully  chosen  perturbations  of  Polycomb  group  proteins  to  uncover  mechanisms  that  maintain  this  repressed  state  through  replication.  Taken together, these studies will not only resolve long-­standing questions in transcription  factor-­site  selectivity  and  Polycomb  repression,  but  will  also  serve  as  a  framework  to  understand  how  chromatin  dynamics  can  shape  genome  function  in  many  biological  contexts.

总结 在不同类型的细胞中表达不同基因的能力对于细胞的发育至关重要。 这种细胞类型特异性的基因表达依赖于记忆， 通过连续的细胞分裂，基因的激活和抑制， 有机体从胚胎发育到成年。记忆的重要组成部分 细胞身份的标志是细胞的染色质状态。为了维持转录程序， 细胞必须保持活性启动子和增强子的可及性， 抑制启动子和增强子。然而，复制过程中出现分叉， 每一个细胞周期都消除了细胞类型特异的染色质景观。 是为了确定染色质景观是如何维持的，尽管核小体动力学 在整个细胞周期中，从而维持细胞记忆。在这里，我们将使用基因组 我们开发的方法（艾德）用于鉴定维持染色质的细胞机制 尽管复制的擦除效果的景观。我们将追求两行 调查：首先，我们将确定转录因子如何找到他们的结合位点后， 在复制过程中从DNA中剥离。我们已经证明， 复制后转录因子被核小体全基因组取代。 跟踪与DNA结合的转录因子和作为时间函数的DNA可及性 在转录后复制中，我们将揭示转录因子位点选择性的决定因素。 我们还将研究染色质重塑功能在转录过程中的作用 第二，我们将阐明细胞机制， 通过表观遗传沉默的复制维持被抑制的染色质景观 结构域的特征是三甲基化组蛋白H3（H3K27me3），我们称之为 “Polycomb domains”. 多梳族蛋白在这些温度下保持受抑制的状态。 通过复制传递压抑记忆的机制必须发挥作用， 在单个细胞周期内，每个细胞周期。我们将联合收割机跟踪染色质状态 全基因组DNA后复制与仔细选择的Polycomb群扰动 蛋白质来揭示通过复制维持这种抑制状态的机制。 总而言之，这些研究不仅将解决转录中长期存在的问题， 因子位点选择性和Polycomb抑制，但也将作为一个框架， 了解染色质动力学如何在许多生物学中塑造基因组功能 contexts.