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Analysis of the molecular mechanisms underlying the activity of the Ets-1/USF-1 transcription facotr complex on the HIV-1 LTR

Mayer, Ulrich

German Title: Analyse der molekularen Mechanismen die der Aktivität des Ets-1/USF-1 Transkriptionsfaktorkomplexes am HIV-1 LTR zugrunde liegen

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Abstract

To assure cell type specific gene transcription cells have developed strategies to control the transcription of a large number of genes with a limited number of transcription factors. This is achieved by combinatorial control in which a complex array of transcription factors regulates promoters and enhancers. Recognition of regulatory elements is governed by both protein-DNA and protein-protein interactions. Many transcription factors can engage in multiple protein-protein interactions that form larger complexes required for adequate gene expression. In this PhD thesis I will present results that illuminate the multifaceted interplay between the transcription factors Ets-1 and USF-1. The ETS proteins act synergistically with a variety of other transcription factors to regulate many cellular and viral promoters and enhancers. Transcription of human immunodeficiency virus 1 (HIV-1), integrated into the host cell genome, also depends on the concerted action of cellular and viral transcription factors recruited to the HIV-1 long terminal repeat (LTR). The cellular transcription factors Ets-1 and USF-1 have been shown to form a complex on adjacent DNA binding sites present in the distal enhancer of the HIV-1 provirus and to cooperate in DNA binding and transactivation. DNA binding of Ets-1 is governed by autoinhibition that is exerted by two distinct inhibitory modules situated N- and C-terminally to the ETS DNA binding domain. The objective of my thesis project was to unravel the molecular mechanisms that govern the cooperation between Ets-1 and USF-1. I could show that USF-1 interacts with the C-terminal autoinhibitory module of Ets-1 and that this interaction is required to relieve autoinhibition of Ets-1 DNA binding. Reciprocally DNA binding by USF-1 is also facilitated by interaction with Ets-1. Furthermore, I provide evidence that synergistic transactivation by Ets-1 and USF-1 is not only the consequence of increased DNA binding potential but of additional cooperative mechanisms that affect transactivation function itself. I could reveal a novel mechanism of transcription factor cooperativity by showing that the C-terminal autoinhibitory module of Ets-1 can directly activate transactivation capacity of USF-1. In addition, I show that the transcriptional cofactor CBP is implicated in the mediation of Ets-1/USF-1 cooperativity. CBP interacts physically with both transcription factors and is required for synergistic transactivation. I could map the domain in USF-1 necessary for interaction with CBP to a stretch of 22 amino acids. Deletion of this domain abolishes both transactivation capacity of USF-1 on the HIV-1 LTR reporter and cooperativity with Ets-1. Together, these data provide new insights into the molecular mechanisms underlying Ets-1/USF-1 cooperativity. They indicate that transcription factor interaction results in significant conformational changes that affect both DNA binding and transactivation function of the complex. The example of Ets-1 and USF-1 could serve as a model for the hypothesis that transcription factors do not act as individual entities but that their functionality is only revealed in the complex with other partner molecules, similar to other multiprotein machineries in the cell.

Translation of abstract (German)

Im Laufe der Evolution haben multizelluläre Organismen Strategien entwickelt, um mit einer limitierten Anzahl von Transkriptionsfaktoren die Expression zellspezifischer Gene zu gewährleisten. Diese basieren auf dem Prinzip der kombinatorischen Kontrolle, bei der ein komplexes Zusammenspiel von verschiedenen Transkriptionsfaktoren an Promotor- und Enhancerregionen die Genexpression reguliert. Dabei spielen neben der sequenzspezifischen Bindung von Transkriptionsfaktoren an die DNA auch Bindungen, die die Transkriptionsfaktoren untereinander oder mit weiteren regulatorischen Proteinen eingehen, eine entscheidende Rolle. Auch die Transkription des in das Wirtszellgenom integrierten humanen Immundefizienz Virus (HIV) hängt von der konzertierten Aktion viraler und zellulärer Faktoren ab. Diese binden an spezifische Erkennungssequenzen, die sich in den „long terminal repeats“ (LTR) des HIV-Provirus befinden. Es ist bekannt, dass die zellulären Transkriptionsfaktoren Ets-1 und USF-1 an zwei benachbarte Bindestellen in der Enhancerregion des LTR binden und bei der DNA-Bindung und Transaktivierung miteinander kooperieren. Das Ziel meiner Promotionsarbeit war es die molekularen Mechanismen aufzudecken, die der Kooperation zwischen Ets-1 und USF-1 zugrunde liegen. DNA-Bindung von Ets-1 wird durch einen autoinhibitorischen Mechanismus reguliert. Hierfür sind zwei inhibitorische Module verantwortlich die sich N- und C-terminal von der DNA-Bindungsdomäne befinden. Ich konnte zeigen, dass USF-1 mit dem C-terminalen, inhibitorischen Modul von Ets-1 interagiert. Durch diese Interaktion hebt USF-1 die Autoinhibition von Ets-1 auf. Darüber hinaus wird auch die DNA-Bindung von USF-1 durch das Wechselspiel mit Ets-1 stimuliert. Desweiteren konnte ich zeigen, dass die synergistische Transaktivierung durch diese beiden Faktoren nicht nur auf einer verbesserten DNA Bindung und somit einer erhöhten Präsenz am Enhancer beruht. Ich konnte einen neuen Mechanismus aufdecken der zur kooperativen Transaktivierung durch die beiden Transkriptionsfaktoren beiträgt, wobei das C-terminale, autoinhibitorische Modul von Ets-1 direkt das Aktivierungspotential von USF-1 erhöht. Weitergehend konnte ich nachweisen, dass der aktivierende Kofaktor CBP/p300 eine erhebliche Rolle bei der kooperativen Transaktivierung durch den Ets-1/USF-1 Komplex spielt. Hierbei ist die Interaktion von CBP mit USF-1 von besonderer Wichtigkeit. Im Rahmen meiner Studien identifizierte ich die Bindungsoberflächen von CBP und USF-1 füreinander und konnte diese im Falle von USF-1 auf einen Bereich von 22 Aminosäuren eingrenzen. Die Deletion dieser Domäne zieht nicht nur den Verlust der Transaktivierungs-fähigkeit eines HIV-1 LTR Reportergens durch USF-1 nach sich sondern unterbindet auch den Synergismus mit Ets-1. Zusammenfassend bieten diese Ergebnisse einen detaillierten Einblick in die molekularen Mechanismen, die der Kooperativität des Ets-1/USF-1 Komplexes zugrunde liegen. Sie deuten darauf hin, dass die Interaktion zwischen den Transkriptionsfaktoren zu erheblichen Konformationsänderungen führt die sowohl die DNA-Bindung des Komplexes als auch dessen Eigenschaften bei der Transaktivierung beeinflussen. Diese Erkenntnisse über das vielseitige Wechselspiel zwischen Ets-1 und USF-1 legen ein Model nahe, bei dem Transkriptionsfaktoren nicht als individuelle Einheiten zu sehen sind sondern als Bestandteile größerer Proteinkomplexe, die ihre vollständige Funktionalität erst in Verbindung mit anderen Partnermolekülen entwickeln.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Peterson, Dr. Gabriele
Date of thesis defense: 12. May 2004
Date Deposited: 29. Jan 2010 08:56
Date: 2004
Faculties / Institutes: The Faculty of Bio Sciences > Dean's Office of the Faculty of Bio Sciences
Subjects: 570 Life sciences
Controlled Keywords: Genregulation, Transkription <Genetik>, Transkriptionsfaktor, HIV
Uncontrolled Keywords: Ets-1 , USF-1 , CBP , HIV-1 LTRTranscriptional regulation , Ets-1 , USF-1 , CBP , HIV-1 LTR
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