scholarly journals Discrete regulatory modules instruct hematopoietic lineage commitment and differentiation

2021 ◽  
Vol 12 (1) ◽  
Author(s):  
Grigorios Georgolopoulos ◽  
Nikoletta Psatha ◽  
Mineo Iwata ◽  
Andrew Nishida ◽  
Tannishtha Som ◽  
...  
Keyword(s):  
Ex Vivo ◽  
Chromatin Accessibility ◽  
Dnase I ◽  
Lineage Commitment ◽  
Gene Promoters ◽  
Developmentally Regulated ◽  
Regulatory Modules ◽  
Hematopoietic Lineage ◽  
Hypersensitive Sites ◽  
Temporal Interactions

AbstractLineage commitment and differentiation is driven by the concerted action of master transcriptional regulators at their target chromatin sites. Multiple efforts have characterized the key transcription factors (TFs) that determine the various hematopoietic lineages. However, the temporal interactions between individual TFs and their chromatin targets during differentiation and how these interactions dictate lineage commitment remains poorly understood. Here we perform dense, daily, temporal profiling of chromatin accessibility (DNase I-seq) and gene expression changes (total RNA-seq) along ex vivo human erythropoiesis to comprehensively define developmentally regulated DNase I hypersensitive sites (DHSs) and transcripts. We link both distal DHSs to their target gene promoters and individual TFs to their target DHSs, revealing that the regulatory landscape is organized in distinct sequential regulatory modules that regulate lineage restriction and maturation. Finally, direct comparison of transcriptional dynamics (bulk and single-cell) and lineage potential between erythropoiesis and megakaryopoiesis uncovers differential fate commitment dynamics between the two lineages as they exit the stem and progenitor stage. Collectively, these data provide insights into the temporally regulated synergy of the cis- and the trans-regulatory components underlying hematopoietic lineage commitment and differentiation.

scholarly journals Chromatin dynamics during hematopoiesis reveal discrete regulatory modules instructing differentiation

2020 ◽  
Author(s):  
Grigorios Georgolopoulos ◽  
Mineo Iwata ◽  
Nikoletta Psatha ◽  
Andrew Nishida ◽  
Tannishtha Som ◽  
...  
Keyword(s):  
Temporal Dynamics ◽  
Ex Vivo ◽  
Chromatin Accessibility ◽  
Dnase I ◽  
Lineage Commitment ◽  
Gene Promoters ◽  
Chromatin Dynamics ◽  
Regulatory Modules ◽  
Hypersensitive Sites ◽  
Regulatory Landscape

AbstractLineage commitment and differentiation is driven by the concerted action of master transcriptional regulators at their target chromatin sites. Multiple efforts have characterized the key transcription factors (TFs) that determine the various hematopoietic lineages. However, the temporal interactions between individual TFs and their chromatin targets during differentiation and how these interactions dictate lineage commitment remains poorly understood. We performed dense, daily, temporal profiling of chromatin accessibility (DNase I-seq) and gene expression changes (total RNA-seq) along ex vivo human erythropoiesis to comprehensively define developmentally regulated DNase I hypersensitive sites (DHSs) and transcripts. We link both distal DHSs to their target gene promoters and individual TFs to their target DHSs, revealing that the regulatory landscape is organized in distinct sequential regulatory modules that regulate lineage restriction and maturation. Finally, direct comparison of transcriptional dynamics (bulk and single-cell) and lineage potential between erythropoiesis and megakaryopoiesis illuminates the fine-scale temporal dynamics of these regulatory modules during lineage-resolution between these two fates. Collectively, these data provide novel insights into the global regulatory landscape during hematopoiesis.

scholarly journals A Quantitative Analysis of the Impact on Chromatin Accessibility by Histone Modifications and Binding of Transcription Factors in DNase I Hypersensitive Sites

2013 ◽  
Vol 2013 ◽  
pp. 1-7 ◽  
Author(s):  
Peng Cui ◽  
Jing Li ◽  
Bo Sun ◽  
Menghuan Zhang ◽  
Baofeng Lian ◽  
...  
Keyword(s):  
Transcription Factors ◽  
Quantitative Analysis ◽  
Histone Modifications ◽  
Chromatin Accessibility ◽  
Dnase I ◽  
Open Chromatin ◽  
Dnase I Hypersensitive Sites ◽  
Biological Phenomena ◽  
Hypersensitive Sites ◽  
The Impact

It is known that chromatin features such as histone modifications and the binding of transcription factors exert a significant impact on the “openness” of chromatin. In this study, we present a quantitative analysis of the genome-wide relationship between chromatin features and chromatin accessibility in DNase I hypersensitive sites. We found that these features show distinct preference to localize in open chromatin. In order to elucidate the exact impact, we derived quantitative models to directly predict the “openness” of chromatin using histone modification features and transcription factor binding features, respectively. We show that these two types of features are highly predictive for chromatin accessibility in a statistical viewpoint. Moreover, our results indicate that these features are highly redundant and only a small number of features are needed to achieve a very high predictive power. Our study provides new insights into the true biological phenomena and the combinatorial effects of chromatin features to differential DNase I hypersensitivity.

scholarly journals Establishment of chromatin accessibility by the conserved transcription factor Grainy head is developmentally regulated

2019 ◽  
Author(s):  
Markus Nevil ◽  
Tyler J. Gibson ◽  
Constantine Bartolutti ◽  
Anusha Iyengar ◽  
Melissa M Harrison
Keyword(s):  
Transcription Factor ◽  
Transcription Factors ◽  
Chromatin Accessibility ◽  
Mitotic Chromosomes ◽  
Developmentally Regulated ◽  
Regulatory Modules ◽  
Pioneer Factor ◽  
Pioneer Factors ◽  
Coordinate Changes ◽  
Accessible Chromatin

AbstractThe dramatic changes in gene expression required for development necessitate the establishment of cis-regulatory modules defined by regions of accessible chromatin. Pioneer transcription factors have the unique property of binding closed chromatin and facilitating the establishment of these accessible regions. Nonetheless, much of how pioneer transcription factors coordinate changes in chromatin accessibility during development remains unknown. To determine whether pioneer-factor function is intrinsic to the protein or whether pioneering activity is developmentally modulated, we studied the highly conserved, essential transcription factor, Grainy head (Grh). Grh is expressed throughout Drosophila development and functions as a pioneer factor in the larvae. We demonstrated that Grh remains bound to condensed mitotic chromosomes, a property shared with other pioneer factors. By assaying chromatin accessibility in embryos lacking either maternal or zygotic Grh at three stages of development, we discovered that Grh is not required for chromatin accessibility in early embryogenesis, in contrast to its essential functions later in development. Our data reveal that the pioneering activity of Grh is temporally regulated and is likely influenced by additional factors expressed at a given developmental stage.

scholarly journals Διερεύνηση και ανάλυση της επιγενετικής ρύθμισης των λειτουργιών των αιμοποιητικών στελεχιαίων κυττάρων του ανθρώπου

2019 ◽  
Author(s):  
Γρηγόριος Γεωργολόπουλος
Keyword(s):  
Stem Cell ◽  
Small Molecules ◽  
Single Cell ◽  
Hematopoietic Stem Cell ◽  
Ex Vivo ◽  
Dnase I ◽  
Self Renewal ◽  
Hematopoietic Stem ◽  
Dnase I Hypersensitive Sites ◽  
Hypersensitive Sites

Στο αιμοποιητικό σύστημα των θηλαστικών, απαντώνται πάνω από 10 διακριτοί διαφοροποιημένοι τύποι κυττάρων και όλοι προέρχονται από έναν προγονικό αιμοποιητικό κυτταρικό τύπο, το αρχέγονο αιμοποιητικό στελεχιαίο κύτταρο (Hematopoietic Stem Cell, HSC). Τα HSCs, πέραν από τη δυνατότητά τους να διαφοροποιούνται προς όλες τις αιμοποιητικές σειρές (πολυγραμμική διαφοροποίηση), είναι αυτά τα οποία συντηρούν ολόκληρο το αιμοποιητικό σύστημα εφ’ όρου ζωής χάρη στην ικανότητά τους να διατηρούν σταθερό τον πληθυσμό τους μέσω της αυτό-ανανέωσης (self-renewal). Αυτά τα δύο λοιπόν χαρακτηριστικά, η αυτό-ανανέωση και η πολυγραμμική διαφοροποίηση είναι αυτά που καθιστούν τα HSCs ένα ισχυρό κλινικό εργαλείο, καθώς και το κατάλληλο μοντέλο για τη βιολογία των στελεχιαίων κυττάρων. Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η διερεύνηση των επιγενετικών, κατά βάση, μηχανισμών που συμμετέχουν στις δύο αυτές λειτουργίες των HSCs του ανθρώπου. Αρχικά, διερευνήθηκαν μέθοδοι ex vivo έκπτυξης των HSCs με την επίδραση μικρών χημικών μορίων (small molecules) και επιδιώχθηκε η ανάπτυξη πρωτοκόλλου που επιτρέπει την βέλτιστη έκπτυξη τους. Μελετήθηακν οι επιδράσεις των μορίων αυτών τόσο στο φαινότυπο των HSCs όσο και στην ικανότητα ενοίκησης ανοσοκατεσταλμένου μυελού των οστών, και διαφοροποίησης με πειράματα ξενο-μεταμόσχευσης σε σχετικό ζωικό μοντέλο. Εν συνεχεία, μελετήθηκαν οι διαφορές στο μεταγραφικό επίπεδο με αλληλούχηση μεταγραφώματος RNAseq και βιοπληροφορική ανάλυση ενώ τέλος ταυτοποιήθηκε ένας συνδυασμός μορίων για την βέλτιστη έκπτυξη των HSCs. Στο δεύτερο σκέλος της εργασίας, διερευνήθηκε η δυναμική του επιγενετικού τοπίου που συμμετέχει στην διαφοροποίηση των HSCs του ανθρώπου προς την ερυθρά σειρά. Αναλύθηκε η προσβασιμότητα χρωματίνης με DNase I-seq και οι μεταγραφικές διαφορές με RNAseq κατά την ex vivo επαγωγή της ερυθροποίησης και δημιουργήθηκαν γενετικοί χάρτες με όλα τα ρυθμιστικά στοιχεία (DNase I Hypersensitive Sites, DHS) και τα γονίδια τα οποία συμμετέχουν κατά την ερυθροποίησης. Εν συνεχεία, με τη χρήση μαθηματικών μοντέλων μελετήθηκαν οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ DHS και γονιδίων και πως αυτές μεταβάλλονται κατά τη διαφοροποίηση και ταυτοποιήθηκαν επιγενετικές λειτουργικές δομές που συμμετέχουν στους μηχανισμούς διαφοροποίησης και δέσμευσης στην εκάστοτε κυτταρική σειρά. Πειράματα πολυγραμμικής διαφοροποίησης και κλωνογενούς ικανότητας των κυττάρων κατά την ερυθροποίηση καταδεικνύουν την ύπαρξη διακριτών λειτουργικών σταδίων κατά την διαφοροποίηση, ενδεικτικών των επιγενετικών λειτουργικών δομών που ταυτοποιήθηκαν νωρίτερα. Τέλος, διερευνήθηκαν οι μεταβολές των πληθυσμών των προγονικών κυττάρων στο μεταγραφικό επίπεδο κατά τον διαχωρισμό της ερυθροειδικής και μεγακαρυοκυτταρικής σειράς με ανάλυση του μεταγραφώματος σε μονήρη κύτταρα (single-cell RNAseq) με βιοπληροφορική ανάλυση. Στο τρίτο και τελευταίο σκέλος, έγινε προσπάθεια απομόνωσης των αιμοποιητικών προγονικών κυττάρων με διαφορικό δυναμικό διαφοροποίησης προς τις διάφορες αιμοποιητικές σειρές. Με τη χρήση μεθόδων απομόνωσης μονήρων κυττάρων με κυτταρομετρία ροής και πειραμάτων κλωνογενούς ικανότητας και πολυγραμμικής διαφοροποίησης ταυτοποιήθηκαν προγονικά κύτταρα με συγκεκριμένο διαφοροποιητικό δυναμικό και διακριτό ανοσοφαινότυπο. Τέλος, προτείνεται μια σειρά από δείκτες επιφανείας ικανοί να τα διαχωρίσουν τους διάφορους προγονικούς τύπους βάσει του διαφοροποιητικού τους δυναμικού, ενώ ταυτοποιούνται νέοι δείκτες που ικανοί να διαχωρίσουν τους προγόνους της ερυθράς σειράς.

scholarly journals Chromatin Architecture near a Potential 3′ End of the Igh Locus Involves Modular Regulation of Histone Modifications during B-Cell Development and In Vivo Occupancy at CTCF Sites

2005 ◽  
Vol 25 (4) ◽  
pp. 1511-1525 ◽  
Author(s):  
Francine E. Garrett ◽  
Alexander V. Emelyanov ◽  
Manuel A. Sepulveda ◽  
Patrick Flanagan ◽  
Sabrina Volpi ◽  
...  
Keyword(s):  
B Cells ◽  
B Cell ◽  
Histone Modifications ◽  
Dnase I ◽  
B Cell Development ◽  
Open Chromatin ◽  
Developmentally Regulated ◽  
Dnase I Hypersensitive Sites ◽  
Hypersensitive Sites

ABSTRACT The murine Igh locus has a 3′ regulatory region (3′ RR) containing four enhancers (hs3A, hs1,2, hs3B, and hs4) at DNase I-hypersensitive sites. The 3′ RR exerts long-range effects on class switch recombination (CSR) to several isotypes through its control of germ line transcription. By measuring levels of acetylated histones H3 and H4 and of dimethylated H3 (K4) with chromatin immunoprecipitation assays, we found that early in B-cell development, chromatin encompassing the enhancers of the 3′ RR began to attain stepwise modifications typical of an open conformation. The hs4 enhancer was associated with active chromatin initially in pro- and pre-B cells and then together with hs3A, hs1,2, and hs3B in B and plasma cells. Histone modifications were similar in resting splenic B cells and in splenic B cells induced by lipopolysaccharide to undergo CSR. From the pro-B-cell stage onward, the ∼11-kb region immediately downstream of hs4 displayed H3 and H4 modifications indicative of open chromatin. This region contained newly identified DNase I-hypersensitive sites and several CTCF target sites, some of which were occupied in vivo in a developmentally regulated manner. The open chromatin environment of the extended 3′ RR in mature B cells was flanked by regions associated with dimethylated K9 of histone H3. Together, these data suggest that 3′ RR elements are located within a specific chromatin subdomain that contains CTCF binding sites and developmentally regulated modules.

Sign in / Sign up

Export Citation Format

Share Document