Transcriptomic and Proteomic Rewiring in Tissue-Specific Regulation

Abstract

The identity of a cell is characterized by its distinct physiology and behaviors, which develop from a single embryonic cell during the course of development. The di!erences between cell types or tissues within an organism are reflected at multiple levels, from its genetic components in DNA and RNA, to protein interactions and characteristic signaling pathways. In this doctoral thesis, I systematically investigate the rewiring events at di!erent omics levels that are linked by various cell-dependent regulatory factors, ultimately to deepen the understandings of cells fate and identity. In the first part of this dissertation, we focused on detecting tissues-specific alter- native variants in the transcriptomes as well as relevant components of alternative splicing (AS)-modulating mechanisms including epigenetics and RNA-binding pro- teins (RBPs). Project 1 identified histone modifications-associated exon selection in 19 human cells and tissues in the Human Atlas Epigenomes project, essentially to understand the cell- and tissue-specific transcriptomic changes in relation to epigenetic regulation along human development timeline. Here, we introduced the term “Epispliced genes” to refer to genes with strong association between changes in exon usage and in histone modification enrichment. In Project 2, we detected in various brain tissues the expression of “STIM2.3”, an alternate transcript of STIM2 gene and clarified its central roles in neuronal di!erentiation, dendritic spine formation and synaptic activity that potentially contribute to the evolution of hominoids brain development. Project 3 investigated the binding pattern and targets of the RBP IGF2BP2 in vivo in mice hepatocytes using a novel protocol named HyperTRIBE, revealing its mRNA stabilizing e!ects that contribute sub- stantially to apoptosis and autophagy regulation in mice liver. The finding that IGF2BP2 influences autophagy is a novel discovery of our project. Splicing decisions are supported by distinct RBPs and lead to systematic changes across the entire proteome. Therefore, the projects in the second part of this dissertation aim to associate stage and tissue-specific RBP topology to those at transcriptomic level. To this end, we first conducted a comparative study of current approaches for analyzing protein-protein interaction networks (PPINs) and rewiring events (Project 4). There we addressed the demand for an analysis workflow that facilitate robust and reliable research on context-dependent PPINs. In this context, we developed two new webservers, PPIxpress and PPICompare, to streamline the two-stepped workflow for constructing and comparing contextualized PPINs (Project 5). On premise of epispliced genes analysis and these two new webservers for di!erential PPIN analysis, in Project 6, we built the rewired RBP networks across 19 cells and tissues in Project 1, using the same transcriptomic data in the detection of epispliced genes. We managed to identify subnetworks of RBPs that are responsible for specific cellular functions from the binding dynamics and co-occurence of RBPs in rewired networks. As RBPs showed distinct rewiring patterns across various cells and tissues which largely resemble the patterns of epispliced genes, this study presents a potential approach to studying splicing decision, machinery, and regulations though connecting RBPs, di!erential exons and histone modifications. In summary, this doctoral work explores the alterations at transcriptomic and proteomic levels that guide the cells to their fates, while establishing new approaches, workflows and webservers for di!erential analysis to compare multiple cells and tissues. It thus lays a foundation for further attempts to unravel splicing mechanism and its regulation, as well as to systematically understand splice decisions and alternative variants by characterizing connections between rewiring events at transcriptome and proteome levels.

Die Identität einer Zelle wird durch ihre spezifische Physiologie und ihr spezifisches Verhalten charakterisiert, die sich im Laufe der Entwicklung aus einer einzigen embryonalen Zelle herausbilden. Die Unterschiede zwischen Zelltypen oder Geweben innerhalb eines Organismus spiegeln sich auf mehreren Ebenen wieder, von den genetischen Komponenten in DNA und RNA über Proteininteraktionen bis hin zu charakteristischen Signalwegen. In dieser Doktorarbeit untersuche ich systematisch die Verschaltungsereignisse auf verschiedenen Omics-Ebenen, die durch verschiedene regulierende Faktoren miteinander verbunden sind. Dadurch wird die Erklärung der Zellidentität vertieft. Im ersten Teil dieser Dissertation konzentrierten wir uns auf die Erkennung gewebespezifischer alternativer Varianten in den Transkriptomen sowie auf relevante Komponenten zur Modulation des alternativen Spleißens (AS), darunter Epigenetik und RNA-bindende Proteine (RBPs). Das Projekt 1 identifizierte auf Basis von Daten des Human Atlas Epigenomes-Projekts die mit Histonmodifikationen verbundene Exonauswahl in 19 menschlichen Zellen und Geweben. Damit charakterisierten wir die zell- und gewebespezifischen transkriptomischen Veränderungen in Bezug auf die epigenetische Regulation entlang der menschlichen Entwicklungszeitachse. Hier führten wir den Begriff “Epispliced genes” ein, um Gene zu bezeichnen, bei denen ein starker Zusammenhang zwischen Veränderungen in der Exonverwendung und der Anreicherung von Histonmodifikationen besteht. Im Projekt 2 wiesen wir in verschiedenen Hirngeweben die Expression von “STIM2.3” nach, einem alternativen Transkript des STIM2-Gens und klärten seine zentrale Rolle bei der neuronalen Differenzierung, der Bildung dendritischer Dornen und der synaptischen Aktivität auf, die möglicherweise zur Evolution der Gehirnentwicklung von Hominoiden beiträgt. Das Projekt 3 untersuchte das Bindungsmuster des RBPs IGF2BP2 in vivo in Maushepatozyten unter Verwendung eines neuartigen Protokolls namens HyperTRIBE und deckte dabei seine mRNA-stabilisierenden Effekte auf, die wesentlich zur Apoptose- und Autophagie-Regulierung in der Leber von Mäusen beitragen. Dass IGFBP2 Autophagie beeinflusst, ist durchaus eine neuartige Entdeckung unseres Projekts. Spleißentscheidungen werden durch unterschiedliche RBPs verstärkt und führen zu systematischen Veränderungen im gesamten Proteom. Daher zielten die Projekte im zweiten Teil dieser Dissertation darauf ab, die entwicklungsstadien- und gewebespezifische RBP-Topologie mit der Transkriptomebene in Verbindung zu bringen. Zu diesem Zweck führten wir zunächst eine vergleichende Studie der aktuellen Ansätze zur Analyse von Protein-Protein-Interaktionsnetzwerken (PPINs) und Verschaltungsereignissen (Projekt 4) durch. Dabei entwickelten wir einen Analyse-Workflow, der eine robuste und zuverlässige Identifizierung von kontextabhängigen PPINs ermöglicht. In diesem Zusammenhang entwickelten wir zwei neue Webserver, PPIxpress und PPICompare, um den zweistufigen Workflow zum Aufbau und Vergleich kontextualisierter PPINs zu optimieren (Projekt 5). Auf der Grundlage der Analyse von epispliced genes und diesen zwei neuen Webservern für die di!erentielle PPIN-Analyse konstruierten wir in Project 6 die neu verdrahteten RBP-Netzwerke über 19 Zellen und Gewebe aus Project 1 , wobei wir dieselben Transkriptomdaten wie bei der Erkennung von epispliced genes verwendeten. Wir identifizierten Teilnetzwerke von RBPs, die für bestimmte zelluläre Funktionen verantwortlich sind, und zwar anhand der Bindungsdynamik und des gemeinsamen Auftretens von RBPs in neu verdrahteten Netzwerken. Da RBPs in verschiedenen Zellen und Geweben unterschiedliche Umstrukturierungsmuster aufweisen, die weitgehend den Mustern von epispliced Genen ähneln, stellt diese Studie einen möglichen Ansatz zur Untersuchung von Spleißentscheidungen, Mechanismen und Regulationen dar, indem sie RBPs, differentielle Exons und Histonmodifikationen miteinander verbindet. Zusammenfassend untersuchte diese Doktorarbeit die Veränderungen auf Transkriptom- und Proteomebene, die das Schicksal von Zellen beeinflussen, und etabliert gleichzeitig neue Ansätze, Arbeitsabläufe und Webserver für die Differentialanalyse zum Vergleich mehrerer Zellen und Gewebe. Sie bildet damit den Grundstein für weitere Versuche, den Spleißmechanismus und dessen Regulation zu entschlüsseln sowie Spleißentscheidungen und alternative Varianten systematisch zu verstehen, indem Verbindungen zwischen Verschaltungsereignisse auf Transkriptom- und Proteomebene hergestellt werden.