From epigenome to genome and back: disentangling the relationship between epigenetic modifications and chromatin organization

从表观基因组到基因组并返回:理清表观遗传修饰与染色质组织之间的关系

基本信息

  • 批准号:
    10178047
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 37.76万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2019
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2019-08-01 至 2024-05-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

PROJECT SUMMARY Understanding how the genome functions is one of the greatest challenges of the 21st century. Encoded within its DNA sequences are the blueprints for several cell types. Nevertheless, it remains a mystery how the full variety of phenotypes arise, and how they are maintained. It is becoming increasingly clear that the epigenome— covalent modifications to the DNA and histone proteins—plays a crucial role. Genome-wide profiling of epigenetic modifications has clarified cell type specificity and the presence of a diverse set of combinatorial patterns that are strongly correlated with gene expression levels. Inferring causal relationships from these data has proved challenging, however. A working knowledge of the mechanisms that inform the establishment and regulation of the epigenome, and its impact on gene expression and cellular phenotype, therefore, remain elusive. In this project, we propose several novel modeling approaches which will address the key gaps in our understanding of the interrelationship between the epigenome and genome. First, we will parameterize a coarse- grained chromatin model from the bottom-up using a novel deep learning algorithm to generate an accurate and comprehensive characterization of chromatin secondary structure, and its sensitivity to DNA sequence, nucleosome repeat length, ionic concentrations, post-translational modifications, and phase-separated liquid- droplets formed by intrinsically disordered proteins. High resolution chromatin structures from this effort will elucidate how different epigenetic modifications impact gene expression by regulating nucleosome packaging and DNA accessibility. Second, we will investigate the role of epigenetic modifications in mediating long-range interactions between regulatory elements by developing a predictive model which will enable de novo reconstruction of three-dimensional genome organization. This project will result in a global view of the role of the epigenome in cell differentiation and cell fate determination. An improved understanding of the interrelationship between the epigenome and the genome from this research program can guide the development of engineering approaches to modify the epigenome for both long lasting and reversible changes as a novel strategy for combating diseases such as cancer.
项目概要 了解基因组如何发挥作用是 21 世纪最大的挑战之一。 它的DNA序列是多种细胞类型的蓝图,然而,其完整的过程仍然是一个谜。 各种表型的出现以及它们是如何维持的越来越清楚,表观基因组—— DNA 和组蛋白的共价修饰——在全基因组分析中发挥着至关重要的作用。 表观遗传修饰阐明了细胞类型特异性和多种组合的存在 从这些数据中推断出与基因表达水平密切相关的模式。 然而,事实证明,了解建立和实施信息的机制具有挑战性。 因此,表观基因组的调控及其对基因表达和细胞表型的影响仍然存在 在这个项目中,我们提出了几种新颖的建模方法,这些方法将解决我们的关键差距。 首先,我们将参数化一个粗略的表观基因组和基因组之间的相互关系。 使用新颖的深度学习算法自下而上地构建颗粒染色质模型,以生成准确且 染色质二级结构的综合表征及其对 DNA 序列的敏感性, 核小体重复长度、离子浓度、翻译后修饰和相分离液体 这项工作将产生由本质上无序的蛋白质形成的高分辨率染色质结构。 阐明不同的表观遗传修饰如何通过调节核小体包装影响基因表达 其次,我们将研究表观遗传修饰在介导长程中的作用。 通过开发预测模型,监管要素之间的相互作用将能够从头开始 该项目将导致对三维基因组组织的重建的全球视野。 提高对细胞分化和细胞命运决定的表观基因组的理解。 该研究计划的表观基因组和基因组之间的相互关系可以指导 开发工程方法来修改表观基因组以实现持久和可逆的变化 作为对抗癌症等疾病的新策略。

项目成果

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