Genome-wide analysis of organ-specific DNA methylation patterns in Arabidopsis thaliana

Abstract

Obwohl genetische Variation für eine lange Zeit als die einzige Quelle für phänotypische Variation angesehen wurde, sind heute epigenetische Marker als zusätzliche Quellen für phänotypische Diversität weitestgehend anerkannt. DNA Methylierung ist ein vererbbarer epigenetischer Marker, der in vielen Eukaryoten unverzichtbar ist für eine Vielzahl biologischer Prozesse, einschließlich der transkriptionellen Stummschaltung von Genen und Transposons. Darüber hinaus können Veränderungen in der DNA Methylierung durch endogene und exogene Signale herbeigeführt werden, so dass DNA Methylierung als Mechanismus zur Regulierung von Genexpression dienen kann.

Trotz ihrer Vererbbarkeit handelt es sich bei DNA Methylierung um einen äußerst dynamischen epigenetischen Marker. Bei Pflanzen und Tieren sind frühe Entwicklungsstadien gekennzeichnet durch genomweite Neuprogrammierung der DNA Methylierung. Dies wird der Regulierung von Entwicklungsprogrammen zugeschrieben. Nebst entwicklungsgesteuerter Veränderungen der DNA Methylierung tragen unter anderem auch spontane Variationen und Umweltfaktoren zur Variabilität von DNA Methylierung bei.

Frühere Pflanzenstudien erforschten, wie sich Methylierung im Laufe der Entwicklung verändert, wobei sie sich im Allgemeinen auf frühe Entwicklungsstadien konzentrierten und somit die Variation von DNA Methylierung zwischen sich später entwickelnden Organen größtenteils außer Acht ließen. Diese Studie präsentiert eine detaillierte vergleichende Analyse von DNA Methylierungsprofilen mehrerer Organe von A. thaliana und zieht hierfür hochauflösende genomweite Karten heran, die bis auf einzelne Basen genau DNA-Methylierung anzeigen. Die Studie kann grob in drei Teile untergliedert werden.

Der erste Teil beinhaltet eine Pipeline für die Analyse von durch Next Generation Sequencing-Technologien gewonnenen DNA Methylierungsdaten. Diese Pipeline identifiziert zum einen methylierte Stellen im Genom innerhalb einzelner Proben und sucht zum anderen nach statistischen Unterschieden in Methylierungsmustern zwischen mehreren Proben.

-i-Der zweite Teil dieser Studie untersucht die Variabilität von DNA Methylierung zwischen den Blättern einer einzelnen Pflanze und zielt darauf ab, zu bestimmen, ob diese Unterschiede in DNA Methylierung ein Produkt stochastischer Varianz sind oder durch andere Faktoren erklärt werden können. Durch den Vergleich der Methylierungsprofile von 18 Blättern, die alle von einer einzelnen Pflanze stammen, ist es mir gelungen zu zeigen, dass die zwischen den einzelnen Blättern beobachteten Veränderungen in der Methylierung mit dem Entstehungszeitpunkt des jeweiligen Blattes korrelieren. Im Vergleich mit sich in der Entwicklung befindenen Blättern zeigten zu einem früheren Zeitpunkt entstandene Blätter einen relativen Verlust an DNA Methylierung.

Der dritte Teil dieser Studie widmet sich der Verbindung von DNA Methylierung mit Organidentität, und im Speziellen, wie Veränderungen der DNA Methylierung zwischen Organen mit Veränderungen in der Genexpression korrelieren. Zu diesem Zweck habe ich Methylierungskarten sowie Transkriptionsprofile für sechs verschiedene Organsysteme aus jeweils insgesamt drei Einzelpflanzen angefertigt. Meine Ergebnisse zeigen, dass im Vergleich von reproduktiven mit vegetativen Organen genomweite Unterschiede in der DNA Methylierung vorliegen. Ferner korrelieren manche dieser Veränderungen mit Unterschieden in der Expression Proteinkodierender Gene. Schließlich ist es mir gelungen, zu zeigen, dass DNA Methylierungsmarker in regulatorischen Regionen nicht ausreichend sind, um Genexpression zu kontrollieren; stattdessen müssen diese epigenetischen Marker an Transposons gekoppelt sein.

Zusammenfassend liefert meine Dissertation Einsichten in die Variabilität von DNA Methylierung im Laufe der pflanzlichen Entwicklung. Ich habe verschiedene Faktoren identifiziert, darunter Organidentität und Alter, welche zur Variabilität von DNA Methylierung im Genom beitragen, was darauf hinweisen kann, dass DNA Methylierung als eine zusätzliche Ebene von Genregulierung in der Pflanzenentwicklung fungiert.