Marchantia TCP transcription factor activity correlates with three-dimensional chromatin structure

Abstract

Informationen des Genoms werden nicht nur mit der Sequenz oder epigenetischen Modifikation codiert, sondern auch in ihrer Faltung im 3D-Raum gefunden. Jüngste Entwicklungen bei der Konformationserfassung von Chromosomen ermöglichten es uns, die räumliche Positionierung des Genoms in verschiedenen Maßstäben aufzudecken. Die Bildung selbstinteragierender Genomregionen, die als Topologically Associated Domains (TADs) bezeichnet werden, wird von Hi-C als Schlüsselmerkmal der Genomorganisation jenseits der Nukleosomenebene entdeckt. Jedes TAD ist eine isolierte lokale Packungseinheit, in der Intra-TADWechselwirkungen bevorzugt und Inter-TAD-Wechselwirkungen isoliert werden. Bei Tieren wird gezeigt, dass mehrere Architekturproteine zur Struktur und Funktion der tierischen TADs beitragen. Im Gegensatz zu Tieren sind TAD-Bildung, - Funktion und -Proteine, die bei diesen Prozessen in Pflanzen eine Rolle spielen, eher unbekannt. Unsere vorläufige Hi-C-Analyse zeigte, dass das Genom von Marchantia polymorpha, einem Mitglied einer basalen Landpflanzenlinie, eine evolutionär konservierte 3DLandschaft mit dem höheren Pflanzen teilt. Das Marchantia-Genom ist in Hunderte von TADs unterteilt und ihre Grenzen sind mit der TCP1-Proteinbindung verbunden. Eine genomweite epigenetische Analyse ergab, dass ein beträchtlicher Teil der Marchantia-TADs interstitielles Heterochromatin darstellt und mit repressiven epigenetischen Markierungen verziert ist. Wir identifizieren auch einen neuartigen TAD-Typ, den wir TCP1-reiches TAD nennen, bei dem genomische Regionen gut zugänglich und durch TCP1-Proteine dicht gebunden sind. TCP1- gebundene Gene, die sich in TCP1-reichen TADs befinden, weisen im Vergleich zu TCP1-gebundenen Genen an anderen Stellen niedrigere Genexpressionsniveaus auf. In tcp1-Mutanten änderten sich die TAD-Muster in der Hi-C-Karte nicht, was darauf hinweist, dass das TCP1-Protein für die TAD-Bildung und -Struktur nicht wesentlich ist. Wir stellen jedoch fest, dass in tcp1-Mutanten Gene, die in TCP1-reichen TADs leben, eine größere Veränderung der Expressionsfalte aufweisen als Gene, die nicht zu diesen TADs gehören. Unsere Ergebnisse zeigen, dass Pflanzen-TADs nicht nur als räumliche Chromatin-Packungsmodule stehen, sondern auch als nukleare Mikrokompartimente fungieren, die die Aktivitäten des Transkriptionsfaktors korrelieren.

Information of the genome is not only encoded to its sequence or epigenetic modifications but also found in its folding in 3D space. Recent developments in Chromosome Conformation Capture techniques enabled us to unveil spatial positioning of the genome at different scales. The formation of self-interacting genomic regions, named Topologically Associated Domains (TADs), are discovered by Hi-C, as a key feature of genome organization beyond the nucleosomal level. Each TAD is an isolated local packing unit in which intra-TAD interactions are favoured and inter-TAD interactions are insulated. In animals several architectural proteins are shown to contribute the structure and the function of the animal TADs. Unlike those in animals, TAD formation, function and proteins that play a role in these processes in plants are rather unknown. Our Hi-C analyses show that the genome of Marchantia polymorpha, a member of a basal land plant lineage, shares an evolutionary conserved 3D landscape with that of higher plants. The Marchantia genome is subdivided into hundreds of TADs and their borders are associated with TCP1 protein binding. Genome-wide epigenetic analysis reveals that a considerable fraction of Marchantia TADs represent interstitial heterochromatin and are decorated with repressive epigenetic marks. We also identify a novel type of TAD that we name TCP1-rich TAD, in which genomic regions are highly accessible and densely bound by TCP1 proteins. TCP1-bound genes residing in TCP1-rich TADs exhibit lower gene expression levels compared to the TCP1- bound genes in other locations. In tcp1 mutants, TAD patterns in the Hi-C map do not change, indicating that TCP1 protein is not essential for TAD formation and structure. However, we find that in tcp1 mutants, genes residing in TCP1-rich TADs have a greater extent in expression fold change compared to genes not belonging to these TADs. Our results indicate that, besides standing as spatial chromatin packing modules, plant TADs function as nuclear micro-compartments that correlate transcription factor activities.