Genome architecture and function in tissue regeneration

Abstract

[eng] Regenerative capacity differs not only across species, but also between organs and developmental stages within the same organism. Understanding why this variability exists remains a major challenge in developmental biology. Studies in regenerative animals have shown that genes involved in development are often re-expressed during regeneration and tend to be evolutionary conserved. Therefore, differences in regenerative potential may depend on the ability of a given tissue to reactivate these programs in a context-dependent manner, rather than on the presence or absence of necessary genes. This transcriptional reactivation is orchestrated through multiple layers of regulation, including transcription factor activity, cis-regulatory DNA elements, chromatin remodeling, histone modifications, and the three-dimensional organization of the genome. In this work, we explore how chromatin organization and genome activity influence regenerative responses by studying two epithelial tissues that regenerate through compensatory proliferation. First, we use a highly regenerative mammalian model, the two-thirds partial hepatectomy in mouse liver, to study changes in chromatin structure during regeneration. By integrating chromatin accessibility and transcriptomic data, we show that transcriptional reprogramming is driven by a wide range of cis-regulatory elements, including regeneration-responsive regulatory elements (RREs). These RREs, which comprise both regeneration-specific and reactivated developmental enhancers, activate genes involved in hepatocyte priming and proliferation. In contrast, enhancers linked to energy-intensive functions of quiescent hepatocytes become repressed, leading to the downregulation of metabolic genes, particularly those involved in lipid metabolism. We further construct a gene regulatory network that uncovers a cascade of transcription factor activation, which modulates expression of repair genes in a time-specific manner. Altogether, we provide a genome-wide atlas of enhancer-gene interactions that offers new insights into the regulatory mechanisms driving liver regeneration. To investigate whether and how chromatin structure and genome folding influence regenerative potential, an area that remains largely unexplored, we use the wing imaginal disc of Drosophila melanogaster as a model. We find that the spatial organization of the genome in wing disc cells undergoes subtle but significant reorganization during regeneration, including reduced compartmentalization. Notably, we observe increased contact frequency across three long-range chromatin loops, termed meta-loops, whose anchors span over 3 megabases. Using chromosomal deficiencies and CRISPR/Cas9-mediated knockouts, we demonstrate that these loops are required for regeneration but are dispensable during development. Finally, we identify the architectural protein Cp190 as a key factor in the formation of these meta-loops. The results of this thesis reveal critical roles for chromatin states and higher-order genome architecture in regeneration, highlighting conserved regulatory principles underlying tissue repair.

[cat] La capacitat regenerativa és molt diversa al món animal, no només entre espècies, sinó també entre diferents òrgans i estadis del desenvolupament d'un mateix organisme. Entendre per quin motiu existeix aquesta variabilitat continua sent un dels grans reptes de la biologia del desenvolupament. Estudis en animals amb gran capacitat regenerativa han demostrat que els gens implicats en el desenvolupament sovint es reactiven durant la regeneració i solen estar conservats a nivell evolutiu. Per tant, les diferències en el potencial regeneratiu podrien dependre de la capacitat d'un teixit determinat per reactivar aquests programes en un context específic, més que de la presència o absència dels gens necessaris. Aquesta reactivació transcripcional inclou múltiples nivells de regulació, com ara l'activitat de factors de transcripció, elements d'ADN cis-reguladors, remodelatge de la cromatina, modificacions d'histones i l'organització tridimensional (3D) del genoma. En aquest treball, explorem com l'organització de la cromatina i l'activitat del genoma influencien les respostes regeneratives mitjançant l'estudi de dos teixits epitelials que es regeneren per proliferació compensatòria. Primer, fem servir un model mamífer amb gran capacitat regenerativa, l'hepatectomia parcial de dos terços en fetge de ratolí, per estudiar canvis en l'estructura de la cromatina durant la regeneració. lntegrant dades d'accessibilitat de la cromatina i transcriptòmiques, mostrem que la reprogramació transcripcional està mediada per una amplia gamma d'elements cis-reguladors, incloent-hi elements reguladors sensibles a la regeneració (RREs). Aquests RREs, que inclouen tant potenciadors específics de regeneració com potenciadors del desenvolupament reactivats, indueixen l'expressió de gens implicats en la preparació i proliferació d'hepatòcits. En canvi, es reprimeixen potenciadors associats a funcions energèticament costoses típiques dels hepatòcits quiescents, cosa que comporta una disminució de l'expressió de gens metabòlics, especialment aquells relacionats amb el metabolisme lipídic. A més, construïm una xarxa reguladora gènica que revela una cascada d'activació de factors de transcripció que modulen l'expressió de gens de regeneració de manera temporalment específica. En conjunt, oferim un atles a escala genòmica de les interaccions entre potenciadors i gens que aporta noves perspectives sobre els mecanismes reguladors que determinen la regeneració hepàtica. Per tal d'investigar si i com l'estructura de la cromatina i l'arquitectura 3D del genoma influeixen en el potencial de regeneració, un àmbit encara poc explorat, utilitzem el disc imaginal d'ala de Drosophila melanogaster com a model. Descobrim que l'organització espacial del genoma en les cèl·lules del disc d'ala canvia de manera subtil però significativament durant la regeneració, incloent una reducció de la compartimentalització. Notablement, observem un augment en la freqüència de contacte en tres interaccions de llarga distancia, anomenades meta-loops, els extrems dels quals es troben a més de 3 megabases. Mitjançant deficiències cromosòmiques i delecions dirigides per CRlSPR/Cas9, demostrem que aquests meta-loops són essencials per a la regeneració però prescindibles durant el desenvolupament. Finalment, identifiquem la proteïna arquitectural Cp190 com un factor clau en la formació d'aquests meta-loops. Els resultats d'aquesta tesi revelen que l'estat de la cromatina i l'arquitectura genòmica tenen rols crítics durant la regeneració, posant en relleu la conservació de principis reguladors de la reparació tissular.