Maintenance of cellular memory through replication

点击翻译按钮获取中文摘要

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.