Epigenome opens a new era of genomics in understanding cellular system. The advances in next-generation sequencing technologies enable the generation of genome-wide epigenetic profiles such as DNA methylation and histone modification patterns. Analyzing these data has revealed many new roles of epigenetic markers beyond DNA sequence and extended understanding of how chromatin architecture modulates transcriptional potential. In this thesis, I attempted to identify the role of histone modifications in gene regulation in the context of histone code hypothesis.
First, I speculated how histone modifications regulate DNA methylation by utilizing Bayesian network. Several causal relationships were matched with experimentally validated results and some of them were remained to validate. Based on these findings, DNA methylation status was accurately predicted by specific histone modification patterns, supporting close relationships between histone modifications and DNA methylation. In addition I found that function specific gene expression levels are accurately predicted by different histone modification patterns. This result indicates that different histone modification patterns modulate gene expression levels of distinct functional groups.
Next, I developed two computational approaches where one is finding cross-talk between histone modifications and another is discovering meaningful modification patterns from genome-wide chromatin architecture, named as LinkNMF. The first method accurately predicted cross-talk between H3K79 tri-methylation and H4K12/16 acetylations in S. ceraeviase, experimentally validated. Another new method, LinkNMF was developed by combining nonnegative matrix factorization and clique detection algorithm. Applying LinkNMF in promoter regions effectively identified several meaningful modification patterns, and gene expression patterns were well explained through combination of these motif patterns.
Finally, I focused on finding new roles of H2B mono-ubiquitylation in human stem cell by using new generated ChIP-seq data. H2BUb1 is a prerequisite for H3K4 and 79 methylations thereby investigation of H2BUb1 is a beginning to understand effect of complex modification patterns, formed by trans-crosstalk between histone modifications. The results demonstrated that H2B mono-ubiquitylation is a 5’ enriched active transcription mark and determines exon-intron architecture in cooperation with other modifications.
All my efforts focused on understanding the role of histone modification patterns in gene regulation. The importance of histone modifications in DNA methylation and gene expression was clearly demonstrated in this study. Two suggested computational models facilitated discovering combinatorial histone modification patterns. Moreover, identified new roles in H2B mono-ubiquitylation suggested new aspect in mechanism linking between H2BUb1 and chromatin architecture. I expect that current study helps to understand the role of histone modifications in epigenetic phenomena.
후성유전체학은 DNA 서열 의존적이지 않은 전사 조절 관련 기작에 관한 연구이다. 주된 기작으로는 히스톤 변형과 DNA 메틸화가 존재한다. 이들은 염색체 변형을 통해 유전자가 언제, 어디서, 무엇을 할지 결정해주는 역할을 수행한다. 무엇보다도 후성유전적 현상이 중요한 이유는 외부 환경에 반응하고 세대를 거쳐 유전된다는 점이다. 이에, 본 연구에서는 유전자 발현에 있어 히스톤 변형이 지니는 의미를 파악하고 이를 통해 히스톤 변형을 설명하는 주된 이론 중의 하나인 히스톤 코드를 뒷받침 하고자 한다.
먼저 DNA 메틸화와 기능 특이적 유전자 발현이 히스톤 변형 패턴만으로도 예측 가능함을 보였다. 베이지안 네트워크 방법을 통해 살펴본 DNA 메틸화와 히스톤 변형 사이 관계는 둘 사이 밀접한 연결 고리를 보여주었고, 특정 히스톤 변형 패턴이 DNA 메틸화를 예측하는데 중요함을 보였다. 또한 유전자 기능에 따라 특이적 히스톤 변형 패턴이 존재하여 이를 바탕으로 유전자 발현 정도가 더 정확하게 예측 됨을 보였다. 이러한 의미 있는 히스톤 변형 패턴으로 보다 효과적으로 발굴하기 위해 두 가지 새로운 계산적 방법을 제안하였다. 첫 번째 방법은 히스톤 변형 사이의 상호 작용을 예측할 수 있는 방법이고 두 번째 방법은 유전체 규모의 데이터로부터 의미 있는 히스톤 변형 패턴을 발굴 할 수 있는 알고리즘이다. 첫 번째 방법을 통해 성공적으로 히스톤 H3 79번째 잔기의 메틸화가 히스톤 H4 12번째와 16번째 잔기의 아세틸화에 영향을 받는다는 사실을 예측했고 이를 실험적으로 증명하였다. 히스톤 변형 패턴 발굴 알고리즘을 통해서는 다양한 모티프라 생각 될 수 있는 히스톤 변형 패턴을 전사조절 지역에서 발굴하고 이들의 조합을 통해 유전자 발현 정도를 보다 잘 설명할 수 있었다. 마지막으로 히스톤 H2B의 유비퀴틴화 (H2BUb1)가 지니는 의미를 살펴보았다. 히스톤 H2BUb1은 히스톤 H3의 메틸화에 중요한 역할을 하기 때문에 이를 통해 형성된 복잡한 히스톤 변형 패턴을 이해하기 위해서는 H2BUb1의 기능을 명확히 하는 것이 중요하다. 인간 줄기세포를 바탕으로 생성된 새로운 데이터를 바탕으로 H2BUb1 이 유전자 발현 정도를 나타내는 중요한 지표임과 동시에 엑손-인트론 구조를 결정하는데 중요한 역할을 함을 밝혔다.
본 연구에서 행해진 모든 연구들은 히스톤 변형이 유전자 조절에서 지니는 의미를 파악하는데 초점을 두었다. 특히나 히스톤 변형이 DNA 메틸화에 유전자 조절에서 특이적 패턴을 형성하면서 다양한 생명 현상에 관여하고 있음이 밝혀졌고, 새롭게 제시된 두 가지 계산적 방법은 히스톤 변형 패턴을 발굴하는데 활용할 수 있을 것이라 예상된다. 마지막으로 H2BUb1의 기능 연구를 통해 보다 구체적으로 복잡한 히스톤 변형 패턴이 지니는 의미를 파악하는데 보탬이 되리라 기대된다.
