Investigation of enhancer-protein-promoter interactions within regulatory loops

Abstract

Transkripsiyonel aktiviteyi yönlendiren karmaşık düzenleyici mekanizmaların anlaşıl- ması, hücresel farklılaşma, bağışıklık yaşlanması ve patolojik fenotiplerin deşifre edil- mesi için kritik öneme sahiptir. Bu çalışma, transkripsiyonel döngüleri araştırmakta, enhancer ve promotör arasındaki karşılıklı etkileşime odaklanmakta, ağ analizi yön- temlerini kullanmakta ve öncelikle insan örneklerinden elde edilen multiomiks veri- lerini entegre etmektedir. Çalışmanın önemli bir metodolojik odak noktası da, Hi-C verilerinin düşük çözünürlük sınırlamalarını ele almıştır. Çeşitli çözünürlük artırma yöntemlerinin karşılaştırılması, bu yöntemlerin TAD tanımlama için faydalarını ortaya koymuş olmakla birlikte yüksek çözünürlüklü (<1 kb) bölgeler arası temasların tanım- lanmasındaki zorlukları vurgulayarak, ileri analizler için mevcut yüksek çözünürlüklü Hi-C veri kümelerine yöneltmiştir. Enhancer çalışma biçimlerini keşfetmek adına kromatin etkileşimleri bir ağ çerçevesin- de temsil edilerek, böylelikle çok yönlü etkileşimlerin ve bunların kardiyomiyosit fark- lılaşması sırasında gen ifadesiyle ilişkilerinin analizini kolaylaştırmıştır. Sınırlı veriye rağmen, bu çerçevenin uygulanması düzenleyici dinamikleri başarılı bir şekilde aydın- latarak ağ tabanlı yaklaşımların kullanışlılığını göstermiştir. Bunu tamamlayan çalışma, yaşlanan bağışıklık T hücrelerindeki transkripsiyonel protein komplekslerini inceley- erek, transkripsiyon faktörlerinin düzenleyici kromatin bölgeleri ile nasıl etkileşime girdiğine dair kritik bilgiler ortaya koymuştur. Bu bulguların önceki epigenomik ve genom çalışmalarıyla benzerlik göstermesi, kromatin erişilebilirliği, düzenleyici kom- pleksler ve gen ifadesi değişiklikleri arasındaki etkileşimin altını çizmektedir. Sonuçlar, hücresel farklılaşmada enhancer etkileşimlerinin rolünü vurgulamakta ve ba- ğışıklık yaşlanmasının altında yatan potansiyel transkripsiyonel düzenleyicileri tanım- lamaktadır. Yüksek çözünürlüklü kromatin etkileşim verileri, ağ analizi ve düzen- leyici protein kompleksi dinamikleri arasında köprü kuran bu araştırma, üç boyutlu genom mimarisi ve transkripsiyonel düzenlemeyi incelemek için yeni bir hesaplamalı metodoloji sunmaktadır. Bu bulgular, transkripsiyonel döngülerin daha fazla araştırıl- ması için bir temel oluşturmakta, hücresel ve patolojik süreçleri anlamamızı ilerlet- mekte ve enhancer-promotör etkileşimlerini ve transkripsiyonel kompleksleri hedefle- yen gelecekteki terapötik stratejilerin önünü açmaktadır.Understanding the intricate regulatory mechanisms driving transcriptional activity is critical to deciphering cellular differentiation, immune aging, and pathological phe- notypes. This study investigates transcriptional loops, focusing on the bidirectional interplay between enhancers and promoters, utilizing cutting-edge network analysis methods and integrating multi-omics data, primarily derived from human samples. A significant methodological focus addressed the low-resolution limitations of Hi-C data. Benchmarking various resolution-enhancement methods revealed their utility for TAD- calling but also highlighted challenges in defining high-resolution (<1 kb) interregional contacts, leading to a strategic focus on available high-resolution Hi-C datasets for downstream analyses. To explore enhancer modes of action, chromatin interactions were represented within a network framework, facilitating the analysis of multi-way interactions and their rela- tionship to gene expression during cardiomyocyte differentiation. Despite limited data availability, the application of this framework successfully elucidated regulatory dy- namics, demonstrating the robustness of network-based approaches. Complementing this, the study examined transcriptional protein complexes in aging immune T cells, revealing critical insights into how enriched transcription factors interact with regula- tory chromatin regions. The convergence of these findings with previous epigenomic and genomic state studies underscores the interplay between chromatin accessibility, regulatory complexes, and gene expression changes. The results emphasize the role of enhancer multiplicity in cellular differentiation and identify potential transcriptional regulators underlying immune aging. By bridging high-resolution chromatin interaction data, network analysis, and regulatory protein complex dynamics, this research offers a novel computational methodology for study- ing 3D genome architecture and transcriptional regulation. These findings provide a foundation for further exploration of transcriptional loops, advancing our understand- ing of cellular and pathological processes and paving the way for future therapeutic strategies targeting enhancer-promoter interactions and transcriptional complexes.