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Analyzing combinatorial regulation of transcription in mammalian cells

Kranz, Anna-Lena

German Title: Analyse kombinatorischer Regulation der Transkription in Säugetierzellen

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Abstract

Präzise Genregulation ist während der Entwicklung und Differenzierung eines Organismus äußerst wichtig, um die notwendige Homeostase während der Zellentwicklung und -differenzierung zu ermöglichen. Dabei bilden Interaktionen zwischen cis-wirkenden DNA-Elementen wie Promotern und Enhancern die Basis für eine abgestimmte Regulation der Transkription. In dieser Arbeit wurden proximale und weiter entfernte Regionen stromaufwärts aller Transkriptionsstartpunkte in silico betrachtet, um regulatorische Module vorherzusagen, die aus Transkriptionsfaktorkombinationen mit Bindestellen an Promotern und Enhancern bestehen. Die Anwendung auf verschiedene Genexpressionsprofile zeigte eine gewebe- und zeitspezifische Regulation der identifizierten Module in der embryonischen Entwicklung der Maus und in der menschlichen Stammzelldifferenzierung. Zusätzlich zur gewebespezifischen Regulation von Transkriptionsfaktorkombinationen am Promoter bestimmen Kombinationen von Transkriptionsfaktoren an Promotern und Enhancern zeitspezifische Regulation während des Entwicklungsprozesses. Die identifizierten regulatorischen Module zeigten eine gute Vorhersagefähigkeit, differenziell exprimierte Gene unterschiedlicher Zeitpunkte zu unterscheiden. Außerdem wurde gezeigt, dass Transkriptionsfaktorbindestellen unterschiedliche Eigenschaften an Promoter- und Enhancerregionen aufzeigen. Ein Beispiel für kombinatorische Regulation der Transkription in Säugetierzellen ist die Cholesterinbiosynthese. Die Cholesterinbiosynthese wird durch die SREBP (sterol regulatory element binding protein) Proteinfamilie kontrolliert, die die Expression von Genen regulieren, die in der Aufnahme und Synthese von Cholesterin und Lipiden involviert sind. SREBPs sind nur schwache transkriptionelle Aktivatoren und kooperieren mit anderen Transkriptionsfaktoren wie SP1 (Sp1 transcription factor) und NF-Y (nuclear transcription factor Y). Obwohl der Metabolismus der Cholesterinbiosynthese gut beschrieben ist, wird angenommen, dass viele weitere noch unbekannte Proteine an der Cholesterinhomeostase der Zelle beteiligt sind. Daher wurde in dieser Arbeit ein integrativer Ansatz verfolgt, um neue Zielgene von SREBP zu identifizieren. Dazu wurden Genexpressionsprofile von sterol-depletierten Zellen mit in silico Vorhersagen von SREBP, SP1, und NF-Y Bindestellen kombiniert. Insgesamt wurden 99 mögliche SREBP Zielgene identifiziert, von denen 21 Gene bereits im Zusammenhang mit Cholesterin beschrieben wurden und 78 Gene potentiell neue SREBP Zielgene darstellen. Zehn der potenziell neuen Zielgene wurden für eine experimentelle Valdierung ausgewählt, wovon slc2a6, c17orf59, hes6, and tmem55b niedrigere mRNA Expression nach SREBP Knockdowns zeigten und damit potentiell regulatorisch von SREBP abhängig sind. Kombinationen von Transkriptionsfaktoren sind äußerst wichtig, um sowohl Regulationsmechanismen der Transkription als auch die Funktion von Enhancern zu verstehen. Sie können neue Erkenntnisse über die gewebe- und zeitspezifische Regulation der Genexpression bringen und die Identifizierung neuer Zielgene in bestimmten Prozessen ermöglichen.

Translation of abstract (English)

During development and differentiation of an organism, accurate gene regulation is central for cells to maintain and balance their differentiation processes. Transcriptional interactions between cis-acting DNA-elements such as promoters and enhancers are the basis for precise and balanced transcriptional regulation. In this thesis, proximal and distal regulatory regions upstream of all transcription start sites were considered in silico to identify regulatory modules consisting of combinations of transcription factors (TFs) with binding sites at promoters and enhancers. Applying these modules to a broad variety of gene expression profiles demonstrated that the identified modules regulate gene expression during mouse embryonic development and human stem cell differentiation in a tissue- and temporal-specific manner. Whereas tissue- specific regulation is mainly controlled by combinations of TFs binding at promoters, the combination of TFs binding at promoters together with TFs binding at the respective enhancers determines the regulation of temporal progression during development. The identified regulatory modules showed considerably good predictive power to discriminate genes being differentially regulated at a specific time interval. In addition, TF binding sites are immanently different for promoter and enhancer regions. One example for combinatorial regulation of transcription in mammals is cholesterol biosynthesis. Cholesterol biosynthesis is regulated by the family of sterol regulatory element binding proteins (SREBPs) that control the expression of genes involved in the uptake and synthesis of cholesterol and lipids. However, SREBPs are weak transcriptional activators themselves and have been shown to work in co-operation with other transcription factors such as Sp1 transcription factor (SP1) and nuclear transcription factor Y (NF-Y). Although the metabolism for cholesterol biosynthesis is well described, it is assumed that many other proteins contribute to cholesterol homeostasis and cholesterol mediated homeostasis of the cell. In this thesis, an integrative approach was applied that allowed systematic identification of potential SREBP target genes. Candidate genes were identified by gene expression profiling of sterol-depleted cells and in silico prediction of SREBP, SP1, and NF-Y binding sites. With this, 99 putative SREBP target genes were identified among which a major portion of genes (21 genes) known to regulate cholesterol biosynthesis and 78 novel potential SREBP target genes were retrieved. Ten of the putative novel 78 SREBP target genes were selected for experimental validation and slc2a6, c17orf59, hes6, and tmem55b showed reduced mRNA expression after SREBP knockdown, indicating a regulatory role by SREBP in combination with SP1 and NF-Y. Combinations of transcription factors are substantial to the understanding of regulation of transcription and enhancer function, can yield generic insights into tissue- and temporal regulation of gene expression, and can elucidate novel target genes involved in a specific pathway.

Item Type: Dissertation
Supervisor: König, Dr. PD Rainer
Date of thesis defense: 28. March 2011
Date Deposited: 29. Mar 2011 12:41
Date: 2011
Faculties / Institutes: The Faculty of Bio Sciences > Institute of Pharmacy and Molecular Biotechnology
Service facilities > German Cancer Research Center (DKFZ)
Subjects: 570 Life sciences
Controlled Keywords: Transkriptionsfaktor, Genregulation, Zelldifferenzierung, Embryonalentwicklung, Promotor <Genetik>, Enhancer
Uncontrolled Keywords: transcription factor binding sites , gene regulation , development , promoter , enhancer
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