Chromatin Evolution in Brown Algae

Abstract

Chromatinbasierte Mechanismen sind zentral für die Genregulation in Eukaryoten. Sie wurden bisher vor allem in Modellorganismen intensiv untersucht, was zu einer Verzerrung in der Wahrnehmung chromatinbasierter Regulationsprinzipien geführt hat. In den letzten Jahren wurden verstärkt Anstrengungen unternommen, ein breiteres Spektrum an Organismen einzubeziehen; dennoch bleibt unklar, ob kanonische Chromatin-Repressionssysteme universell sind und für die Entstehung komplexer Vielzelligkeit erforderlich sind. Die Linie der Phaeophyceae hat komplexe Vielzelligkeit unabhängig von Pflanzen und Tieren evolviert und stellt daher ein leistungsfähiges Modellsystem dar, um alternative evolutionäre Lösungen chromatinbasierter Genregulation zu untersuchen. Ein weiteres bemerkenswertes Merkmal der Braunalgen ist ihre ausgeprägte Vielfalt an Morphologien, Lebenszyklen und Sexualsystemen, die eine einzigartige Möglichkeit bietet, die Rolle von Chromatin bei der Ausprägung unterschiedlicher evolutionärer und phänotypischer Ergebnisse zu analysieren. In dieser Dissertation untersuche ich die Evolution und Organisation von Chromatin innerhalb der Braunalgenlinie und darüber hinaus, unter Verwendung eines vergleichenden Ansatzes, der repräsentative Arten der Klade in Bezug auf Sexualsysteme, Lebenszyklen und Morphotypen einschließt. Darüber hinaus werden unterschiedliche Lebensstadien sowie – sofern relevant – beide Geschlechter, weiblich und männlich, berücksichtigt. Diese Arbeit stellt die erste umfassende Chromatinstudie der Phaeophyceae dar, die genomische, epigenomische und transkriptomische Daten sowie die dreidimensionale Genomorganisation integriert. Wir zeigen, dass Braunalgen kanonische Chromatin-Silenzierungsmechanismen wie DNA-Methylierung, PRC2-vermitteltes H3K27me3 sowie H3K9me2/3 verloren haben. Diese Verluste traten früh in der Evolution der Braunalgen auf. Dennoch bewahren Braunalgen die Genomstabilität und sind in der Lage, komplexe Individuen mit ausgeprägten Übergängen im Lebenszyklus zu entwickeln. Aktive Histonmarkierungen wie H3K4me3, H3K9ac und H3K36me3 zeigen konservierte Verteilungsmuster und erfüllen vermutlich ähnliche Funktionen wie in anderen Eukaryoten. Überraschenderweise ist H3K79me2, eine historisch als aktiv geltende Markierung, mit stillgelegten Genomregionen assoziiert. Dies weist auf eine funktionelle Umwidmung von H3K79me2 im Vergleich zu Modellorganismen hin und geht mit einer Expansion und Diversifizierung von DOT1-ähnlichen Enzymen einher, den bislang einzigen bekannten Schreibern und Lesern von H3K79me2. Trotz der biologischen Vielfalt sind Chromatinlandschaften über Arten, Geschlechter und Lebensstadien hinweg bemerkenswert stabil, zeigen jedoch konsistente Assoziationen mit der Genexpression. Diese Beobachtungen deuten darauf hin, dass Chromatin eher das transkriptionelle Potenzial einschränkt, als die endgültigen regulatorischen Ergebnisse festzulegen.

Chromatin-based mechanisms are central to gene regulation in eukaryotes. It has been extensively studied in model organisms, creating a bias in how chromatin regulation is perceived. Lately, a great deal of effort has been done to encompass more species, but it remains unclear whether canonical chromatin repression systems are universal and required for multicellularity. The Phaeophyceae lineage evolved complex multicellularity independently from plants and animals, and thus provide a powerful system to explore the evolution of chromatin-based gene regulation. Moreover, a striking feature in brown algae is the diversity they display in morphologies, life cycles and sexual systems, providing a unique opportunity to examine the role of chromatin in shaping multiple evolutionary and phenotypic outcomes. In this thesis, I investigate the evolution and organization of chromatin across the brown algae lineage and beyond, using a comparative framework including representative species of the clade in terms of sexual system, life cycle and morphology types, as well as different life stages and including both sexes, female and male when relevant. This work represents the first comprehensive chromatin study of the Phaeohyceae integrating genomic, epigenomic, transcriptomic data and 3D genome organization. Here, we show that brown algae lost canonical chromatin silencing mechanisms such as DNA methylation, PRC2-mediated H3K27me3 and H3K9me2/3. These losses occurred early in brown algal evolution. Despite this, brown algae maintain genome stability and are able to develop into complex individuals with elaborate life cycle transitions. We show that active histone marks such as H3K4me3, H3K9ac, H3K36me3 share conserved distribution and most likely function as in other eukaryotes. Surprisingly, H3K79me2, a historically active mark, is associated with silenced regions. This indicates a functional repurposing of H3K79me2 relative to model organisms and is accompanied by the expansion and diversification of DOT1-like enzymes, the sole known readers and writers of H3K79me2. Despite biological diversity, chromatin landscapes are remarkably stable across species, sexes and life stages while showing consistent association with gene expression. These observations suggest that chromatin appears to constrain transcriptional potential rather than determine the final outcomes.