Characterization of cis-regulatory elements via open chromatin profiling

Cis-regulatorische Elemente wie Promotoren und Enhancer, die die Regulation der Transkription von Genen steuern, befinden sich in Regionen des dekondensierten Chromatins. DNase-seq und ATAC-seq sind weit verbreitete Verfahren, um solche offenen Chromatinregionen genomweit zu untersuchen. Die einzel-Nukleotid-Auflösung von DNase-seq wurde des Weiteren genutzt, um Transkriptionsfaktor-Bindungsstellen (TFBS) in regulatorischen Regionen durch TF-Footprinting zu bestimmen. Kürzlich durchgeführte Studien haben jedoch gezeigt, dass DNase I einen Sequenzbias aufweist, welcher nachteilige Auswirkungen auf die Footprinting-Effizienz hat. Auch wurden das Footprinting und die Auswirkungen des Sequenzbias auf ATAC-seq noch nicht umfassend untersucht. In dieser Arbeit nehme ich einen systematischen Vergleich der beiden Methoden vor und zeige, dass die beiden Methoden unterschiedliche Sequenzbiases haben und korrigiere diese protokollspezifischen Biases beim Footprinting. Der Einfluss von Bias-Korrekturen der Footprinting Ergebnisse ist für DNase-seq größer als für ATAC-seq, und Footprinting mit DNase-seq führt zu besseren Ergebnissen in unserer Datensätze. Trotz dieser Unterschiede zeige ich, dass die Integration replizierter Experimente die Ableitung von qualitativ hochwertigen Footprints ermöglicht, wobei die beiden Techniken weitgehend übereinstimmen. Diese Techniken werden ferner eingesetzt, um die cis-regulatorischen Elemente zu charakterisieren, die die Embryogenese der Fruchtfliege Drosophila melanogaster bestimmen. Durch die Verwendung von Embryonen die sich im richtigen Entwicklungsstadium befinden, sowie gewebespezifischer Kernsortierung mit offenem Chromatin-Profiling können zeitlich und gewebespezifisch aufgelöste vermeintliche cis-regulatorische Elemente definiert werden. Zusammengenommen demonstrieren diese Analysen die Fähigkeit der offenen Chromatin-Profilierung und der Computeranalyse zur Aufklärung der Mechanismen der Genregulation.Cis-regulatory elements such as promoters and enhancers, that govern transcriptional gene regulation, reside in regions of open chromatin. DNase-seq and ATAC-seq are broadly used methods to assay open chromatin regions genome-wide. The single nucleotide resolution of DNase-seq has been further exploited to infer transcription factor binding sites (TFBS) in regulatory regions through TF footprinting. However, recent studies have demonstrated the sequence bias of DNase I and its adverse effects on footprinting efficiency. Furthermore, footprinting and the impact of sequence bias have not been extensively studied for ATAC-seq. In this thesis, I undertake a systematic comparison of the two methods and demonstrate that the two methods have distinct sequence biases and correct for these protocol-specific biases when performing footprinting. The impact of bias correction on footprinting performance is greater for DNase-seq than for ATAC-seq, and footprinting with DNase-seq leads to better performance in our datasets. Despite these differences, I show that integrating replicate experiments allows the inference of high-quality footprints, with substantial agreement between the two techniques. These techniques are further employed to characterize the cis-regulatory elements governing the embryogenesis of a complex organism, the fruit fly Drosophila melanogaster. Combining tight staging of embryos and tissue-specific nuclear sorting with open chromatin profiling, enables the definition of temporally and tissue-specifically resolved putative cis-regulatory elements. Taken together, these analyses demonstrate the power of open chromatin profiling and computational analysis in elucidating the mechanisms of transcriptional gene regulation