Genome-wide analysis of DNA methylation topology to understand cell fate

Abstract

DNA methylation is an epignetic modification associated with gene regulation. It has extensively been studied in the context of small regulatory regions. Yet, not so much is known about large domains characterized by fuzzy methylation patterns, termed Partially Methylated Domains (PMDs). The present thesis comprises PMD analyses in various contexts and provides several new aspects to study DNA methylation. First, a comprehensive analysis of PMDs across a large cohort of WGBS samples was performed, to identify structural and functional features associated with PMDs. A newly developed approach, ChromH3M, was proposed for the analysis and integration of a large spectrum of WGBS data sets. Second, PMDs were found to be indicators of the cellular proliferation history and segmented loss of DNA methylation in PMDs supports the sequential linear differentiation model of memory T-cells. Third, assessment of genome-wide methylation changes in PMDs of Multiple Sclerosis-discordant monozygotic co-twins did not show significant differences, but local changes (DMRs) were identified. Taken together, the outcomes of the presented studies shed light on a so far neglected aspect of DNA methylation, that is PMDs, in different contexts; lineage specialization, differentiation, replication, disease, chromatin organization and gene expression.

Die DNA-Methylierung ist eine epigenetische Modi1kation, die funktionell mit der Genregulation verbunden ist. Sie wurde bereits ausführlich im Kontext kleiner regulatorischer Regionen untersucht. Es ist jedoch noch nicht sehr viel bekannt über große Domänen, welche erstmals in WGBS-Daten beschrieben wurden. Sie werden als partiell methylierte Regionen (PMDs) bezeichnet und sind durch das Vorhandensein variabler Methylierungsmuster charakterisiert. Die vorliegende Arbeit umfasst PMD-Analysen in unterschiedlichen Kontexten und liefert verschiedene neue Aspekte zur Untersuchung der DNA-Methylierung. Zuerst wurde eine umfassende Analyse von PMDs in einer großen Kohorte von WGBS-Proben durchgeführt, um strukturelle und funktionelle Merkmale zu identi 1zieren, die mit PMDs assoziert sind. Ein neu entwickelter Ansatz, ChromH3M, wurde für die Analyse und Integration einer großen Kohorte vonWGBS Datensätzen angewandt. Zweitens wurde festgestellt, dass PMDs Indikatoren für die Zellproliferationshistorie sind, und der zu beobachtende graduelle Verlust der globalen DNAMethylierung bei der Differenzierung von T-Gedächtniszellen unterstützt die Hypothese der sequenziellen linearen Differenzierung. Drittens zeigte die Bewertung der genomweiten Methylierungsänderungen in PMDs von Multiple Sklerose-diskordanten monozygoten Zwillingen keine signi1kanten Unterschiede, jedoch wurden lokale Änderungen (DMRs) identi1ziert. Insgesamt geben die Ergebnisse der vorgestellten Studien Aufschluss über einen bislang eher vernachlässigten Aspekt der DNA-Methylierung, d.h. PMDs, in verschiedenen Zusammenhängen: der Festlegung der Zell-entwicklungsbahnen, der Zelldifferenzierung, der Replikation, die Krankheit, der Organisation des Chromatins, sowie der Regulation der Genexpression.