Elucidating the 3-D epigenetic determinants of activity-dependent gene expression in mammalian neurons

University Of Pennsylvania, Philadelphia PA

Investigators

Linked publications & trials

Abstract

  Abstract  Post-­mitotic  neurons  in  the  mammalian  brain  form  synapses  that  dynamically  remodel  throughout  an  individual’s  lifetime  to  encode  short-­  and  long-­term  memories.  Synaptic  plasticity  involves  spatiotemporal  fine-­ tuning  of  gene  expression  levels  in  response  to  environmental  stimuli,  including  rapid  transcription  of  immediate  early  genes  on  the  time  scale  of  minutes  and  longer-­term  global  chromatin  remodeling.  The  cis-­ acting  genetic  and  epigenetic  elements  that  govern  activity-­dependent  expression  are  of  outstanding  interest  toward understanding how experiences sculpt the brain. Here, we submit a proposal entitled ‘Elucidating the 3-­ D epigenetic determinants of activity-­dependent gene expression in mammalian neurons’. We have assembled  an  interdisciplinary  team  with  critical  expertise  in  genome  folding,  epigenetics,  chromatin  engineering,  neurobiology,  synaptogenesis,  electrophysiology,  and  computational  biology.  We  aim  to  elucidate  the  causal  link among long-­range looping interactions, epigenetic modifications on the linear genome, expression of their  spatial  target  genes,  and  the  activity  of  mammalian  neurons.  We  hypothesize  that  immediate  early  genes  will  functionally engage in singular short-­range loops to rapidly activate expression on the time scale of seconds to  minutes in response to the environmental stimulus of neuronal activation. By contrast, we posit that secondary  response  genes  will  spatially  connect  via  architectural  proteins  into  complex,  long-­range,  pre-­existing  topological  configurations  to poise  the genome  for  a  second  wave  of  expression  on  the order  of  hours  to  days  in  response  to  neuronal  firing.  To  test  our  hypotheses,  we  will  create  high-­resolution  genome  folding  maps  using  the  Hi-­C  during  a  time  course  of  activation  in  mouse  hippocampal  neurons.  We  will  identify  activity-­ dependent  enhancers  and  gene  expression  genome-­wide  and  determine  their  temporal  profile  with  respect  pre-­formed and  activity-­dependent  loops.  We  will formulate  mathematical  models  to predict  activity-­dependent  expression  of  immediate  early  genes  and  secondary  response  genes  from  the  timing  of  enhancer  activation  and looping contacts. By integrating single nucleotide variants linked to autism, schizophrenia, bipolar disorder,  addiction,  and  attention-­deficit/hyperactivity  disorder  with  our  models,  we  will  predict  the  specific  target  genes  and  potential  pathways  involved  in  neurological  disease.  Finally,  we  will  dissect  the  functional  role  for  loops  and  enhancer  activity  in  regulating  the  activity-­dependent  transcription  of  Bdnf  and  c-­fos  using  CRISPR  genome  editing  of  architectural  protein  binding  motifs  and  CRISPRi  inhibition  of  specific  enhancers.  Our  work  will  uncover the genome’s  long-­range  interaction  landscape  in  mammalian neurons and  reveal  the causal  link  between  the  3-­D  Epigenome  and  the  kinetics  of  transcriptional  response  to  environmentally  stimulated  neuronal activation.  Â