Title (eng)
Stress-induced epigenetic deregulation and chromatin decondensation in Arabidopsis thaliana
Parallel title (deu)
Stress induzierte epigenetische Deregulation und Chromatin Dekondensation in Arabidopsis thaliana
Author
Laura Bayer
Advisor
Ortrun Mittelsten Scheid
Assessor
Ortrun Mittelsten Scheid
Abstract (deu)
In Eukaryonten ist die DNA um Histone gewunden und bildet mit diesen eine kompakte Struktur, das Chromatin. Diese Struktur beeinflusst die Zugänglichkeit der DNA und damit auch die transkriptionelle Regulation der Gene. In Arabidopsis thaliana, dem pflanzlichen Modellorganismus der Genetik, wird das Ausmaß der Chromatinkondensation durch physiologische Prozesse, unterschiedliche Entwicklungsstadien, sowie von Umweltfaktoren verändert. Epigenetische Faktoren scheinen an der Verarbeitung von Umweltsignalen beteiligt zu sein und Einfluss auf die Struktur des Chromatins zu haben. Die beteiligten Mechanismen sind aber noch nicht ausreichend untersucht.
Eine bekannte Auswirkung von Hitzestress bei Pflanzen ist die Dekondensation von Chromatin und eine damit einhergehende Aktivierung von solchen Genen, welche unter normalen Bedingungen durch epigenetische Kontrolle stillgelegt sind. DNA Methylierung und postranslationale Histonmodifikationen, die sonst mit epigenetischen Veränderungen verbunden sind, bleiben unter Hitzeeinwirkung weitestgehend unverändert. Allerdings geht die Bindung der DNA an die Histone an manchen Stellen des Genoms verloren. In dieser Arbeit habe ich die Auswirkung von anderen abiotischen Stressfaktoren auf die Chromatinorganisation untersucht. Getestet wurden ein limitiertes Nährstoffangebot, oxidativer Stress, sowie hohe und niedrige Lichtintensitäten. Eine von mir neu etablierte Methode erlaubte es, die zytologisch sichtbare Heterochromatindekondensation, welche während des Hitzestresses auftritt, zu quantifizieren. Dadurch war es mir möglich, die auftretende Dekondensation mit der Aktivierung von Genen in Beziehung zu setzen. Zu diesem Zweck wurden unterschiedliche Ökotypen untersucht und verglichen. Transkriptionelle Aktivierung und Dekondensation zeigten eine beträchtliche Variationsbreite zwischen den Ökotypen in der Reaktion auf Hitze. Aktivierung und Dekondensation sind beides transiente Effekte, welche nach Ende der Hitzeeinwirkung weitgehend in den ursprünglichen Zustand zurückkehren. Das Vorhandensein von Licht während der Hitzeeinwirkung beeinflusste das Ausmaß der Aktivierung. Andere getestete Stressarten hatten keinen oder kaum Einfluss auf die transkriptionelle Aktivierung. Hitze scheint deshalb eine spezifische Wirkung auf der Ebene des Chromatins auszulösen.
Abstract (eng)
In eukaryotes, DNA is wrapped around histones to form a higher order structure called chromatin. This structure is crucial for transcriptional regulation of genes by modifying the accessibility of the DNA. In the model plant Arabidopsis thaliana, the condensation level of chromatin can be modified by physiological, developmental, and also environmental factors. Epigenetic factors at the chromatin level are thought to be involved in processing environmental stimuli. but the mechanisms are yet not well understood.
Heat stress has been shown to disrupt condensed chromatin and to activate genes, which are transcriptionally silent at moderate temperatures. This effect occurs without changes in DNA methylation and only minor changes in histone modifications, but with reduction of nucleosome occupancy. Thereby, heat causes prominent effects on epigenetic regulation. In this work, I have tested other stresses with regard to interference with epigenetic regulation, including limiting nutrient factors, oxidative stress, high and low light intensities. I have further developed a protocol to quantify the cytologically visible heterochromatin decondensation during heat stress. I have applied this to investigate the correlation between decondensation and transcriptional activation of epigenetically controlled genes and to compare the degree of decondensation upon heat stress between different ecotypes of Arabidopsis. Natural variation in response to heat exists between the ecotypes, at the level of transcription and decondensation. The effects are transient, since silencing is re-established and heterochromatin condensation returns largely to pre-stress levels. Nevertheless, I found that the effect of heat is modulated by the amount of light that the plants receive during the heat exposure. Diverse other stress types showed only minor or no response, demonstrating the significant and specific effect of heat.
Keywords (eng)
epigeneticstressenvironmentchromatindekondensationArabidopsis thaliana
Keywords (deu)
EpigenetikStressUmwelteinfussChromatin/ DekondensationArabidopsis thaliana
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1289242
rdau:P60550 (deu)
58 S. : graph. Darst.
Number of pages
58
Association (deu)
Title (eng)
Stress-induced epigenetic deregulation and chromatin decondensation in Arabidopsis thaliana
Parallel title (deu)
Stress induzierte epigenetische Deregulation und Chromatin Dekondensation in Arabidopsis thaliana
Author
Laura Bayer
Abstract (deu)
In Eukaryonten ist die DNA um Histone gewunden und bildet mit diesen eine kompakte Struktur, das Chromatin. Diese Struktur beeinflusst die Zugänglichkeit der DNA und damit auch die transkriptionelle Regulation der Gene. In Arabidopsis thaliana, dem pflanzlichen Modellorganismus der Genetik, wird das Ausmaß der Chromatinkondensation durch physiologische Prozesse, unterschiedliche Entwicklungsstadien, sowie von Umweltfaktoren verändert. Epigenetische Faktoren scheinen an der Verarbeitung von Umweltsignalen beteiligt zu sein und Einfluss auf die Struktur des Chromatins zu haben. Die beteiligten Mechanismen sind aber noch nicht ausreichend untersucht.
Eine bekannte Auswirkung von Hitzestress bei Pflanzen ist die Dekondensation von Chromatin und eine damit einhergehende Aktivierung von solchen Genen, welche unter normalen Bedingungen durch epigenetische Kontrolle stillgelegt sind. DNA Methylierung und postranslationale Histonmodifikationen, die sonst mit epigenetischen Veränderungen verbunden sind, bleiben unter Hitzeeinwirkung weitestgehend unverändert. Allerdings geht die Bindung der DNA an die Histone an manchen Stellen des Genoms verloren. In dieser Arbeit habe ich die Auswirkung von anderen abiotischen Stressfaktoren auf die Chromatinorganisation untersucht. Getestet wurden ein limitiertes Nährstoffangebot, oxidativer Stress, sowie hohe und niedrige Lichtintensitäten. Eine von mir neu etablierte Methode erlaubte es, die zytologisch sichtbare Heterochromatindekondensation, welche während des Hitzestresses auftritt, zu quantifizieren. Dadurch war es mir möglich, die auftretende Dekondensation mit der Aktivierung von Genen in Beziehung zu setzen. Zu diesem Zweck wurden unterschiedliche Ökotypen untersucht und verglichen. Transkriptionelle Aktivierung und Dekondensation zeigten eine beträchtliche Variationsbreite zwischen den Ökotypen in der Reaktion auf Hitze. Aktivierung und Dekondensation sind beides transiente Effekte, welche nach Ende der Hitzeeinwirkung weitgehend in den ursprünglichen Zustand zurückkehren. Das Vorhandensein von Licht während der Hitzeeinwirkung beeinflusste das Ausmaß der Aktivierung. Andere getestete Stressarten hatten keinen oder kaum Einfluss auf die transkriptionelle Aktivierung. Hitze scheint deshalb eine spezifische Wirkung auf der Ebene des Chromatins auszulösen.
Abstract (eng)
In eukaryotes, DNA is wrapped around histones to form a higher order structure called chromatin. This structure is crucial for transcriptional regulation of genes by modifying the accessibility of the DNA. In the model plant Arabidopsis thaliana, the condensation level of chromatin can be modified by physiological, developmental, and also environmental factors. Epigenetic factors at the chromatin level are thought to be involved in processing environmental stimuli. but the mechanisms are yet not well understood.
Heat stress has been shown to disrupt condensed chromatin and to activate genes, which are transcriptionally silent at moderate temperatures. This effect occurs without changes in DNA methylation and only minor changes in histone modifications, but with reduction of nucleosome occupancy. Thereby, heat causes prominent effects on epigenetic regulation. In this work, I have tested other stresses with regard to interference with epigenetic regulation, including limiting nutrient factors, oxidative stress, high and low light intensities. I have further developed a protocol to quantify the cytologically visible heterochromatin decondensation during heat stress. I have applied this to investigate the correlation between decondensation and transcriptional activation of epigenetically controlled genes and to compare the degree of decondensation upon heat stress between different ecotypes of Arabidopsis. Natural variation in response to heat exists between the ecotypes, at the level of transcription and decondensation. The effects are transient, since silencing is re-established and heterochromatin condensation returns largely to pre-stress levels. Nevertheless, I found that the effect of heat is modulated by the amount of light that the plants receive during the heat exposure. Diverse other stress types showed only minor or no response, demonstrating the significant and specific effect of heat.
Keywords (eng)
epigeneticstressenvironmentchromatindekondensationArabidopsis thaliana
Keywords (deu)
EpigenetikStressUmwelteinfussChromatin/ DekondensationArabidopsis thaliana
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1289243
Number of pages
58
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