Directly to content
  1. Publishing |
  2. Search |
  3. Browse |
  4. Recent items rss |
  5. Open Access |
  6. Jur. Issues |
  7. DeutschClear Cookie - decide language by browser settings

Binding of Circadian Transcription Regulators and Rhythmic Gene Expression in Human Cells

Stefanski, Julia

German Title: Bindung zirkadianer Transkriptionsregulatoren und Rhythmische Genexpression in Humanen Zellen

[img]
Preview
PDF, English (Dissertation) - main document
Download (20MB) | Terms of use

Citation of documents: Please do not cite the URL that is displayed in your browser location input, instead use the persistent URL or the URN below, as we can guarantee their long-time accessibility.

Abstract

The circadian clock is a tightly regulated mechanism that has evolved in most organisms to enable them to anticipate daily reoccurring changes in the environment. Expression analysis in mouse suggests that about 10% of the mammalian transcriptome may be under circadian control, however the overlap between different tissues is very small [1]. Mechanisms determining this cell type specificity of clock controlled genes are not yet understood. The human osteosarcoma cell line U2OS expresses a functional circadian clock and has been used in many circadian studies [2, 3, 4], yet, except for components of the core clock machinery, no genes have been found to be rhythmically expressed in this cell line in a microarray analysis [3] whereas about 3000 rhythmic transcripts have been identified in mouse liver [3, 5, 6].

This work shows ChIP-sequencing data of BMAL1, CLOCK, and CRY1 that indicates that the circadian transcription regulators bind in sequence-specific manner to several thousand sites in the genome of U2OS, comparable to the number found in mouse liver [5]. However, time course microarray experiments carried out to verify functionality of these sites, found only 58 rhythmic genes harboring a binding site, suggesting a high amount of opportunistic binding that cannot be linked to transcription. Even most genes with high-scoring binding sites in their promoter were apparently arrhythmic. U2OS cell lines stably expressing luciferase reporter constructs under control of representative promoters were generated and revealed that BMAL1 and CLOCK functionally act on these, but rhythmic expression appears to be superimposed by a high basal transcription. The data indicates that high amplitude transcription rhythms are masked by constitutive transcription that overwrites the rhythmic contribution of the circadian clock, resulting in apparent arrhythmicity due to low amplitude oscillations. This work suggests that the cell-type specific circadian transcriptome is not determined on the level of BMAL1-CLOCK binding and rhythmic activation of transcription by these circadian regulators, but rather by the cell-type specific ratio of circadian versus genespecific or general transcription regulators.

Bibliography: [1] Satchidananda Panda, Marina P. Antoch, Brooke H. Miller, Andrew I. Su, Andrew B. Schook, Marty Straume, Peter G. Schultz, Steve A. Kay, Joseph S. Takahashi, and John B. Hogenesch. Coordinated transcription of key pathways in the mouse by the circadian clock. Cell, 109(3):307–20, May 2002. [2] Christopher Vollmers, Satchidananda Panda, and Luciano DiTacchio. A high-throughput assay for siRNA-based circadian screens in human U2OS cells. PloS ONE, 3(10):e3457, January 2008. [3] Michael E. Hughes, Luciano DiTacchio, Kevin R. Hayes, Christopher Vollmers, S. Pulivarthy, Julie E. Baggs, Satchidananda Panda, and John B. Hogenesch. Harmonics of circadian gene transcription in mammals. PLoS Genetics, 5(4):e1000442, April 2009. [4] Bert Maier, Sabrina Wendt, Jens T. Vanselow, Thomas Wallach, Silke Reischl, Stefanie Oehmke, Andreas Schlosser, and Achim Kramer. A large-scale functional RNAi screen reveals a role for CK2 in the mammalian circadian clock. Genes & Development, 23(6):708–18, March 2009. [5] Guillaume Rey, François Cesbron, Jacques Rougemont, Hans Reinke, Michael Brunner, and Felix Naef. Genome-Wide and Phase-Specific DNA-Binding Rhythms of BMAL1 Control Circadian Output Functions in Mouse Liver. PLoS Biology, 9(2):e1000595, February 2011. [6] Nobuya Koike, Seung-Hee Yoo, Hung-Chung Huang, Vivek Kumar, Choogon Lee, Tae-Kyung Kim, and Joseph S. Takahashi. Transcriptional Architecture and Chromatin Landscape of the Core Circadian Clock in Mammals. Science, 338(6105):349–54, August 2012.

Translation of abstract (German)

Die zirkadiane Uhr ist ein streng regulierter Mechanismus, der sich in den meisten Organismen entwickelt hat um täglich wiederkehrende Veränderungen in der Umgebung zu antizipieren. Analysen des Maus Transkriptoms deuten darauf hin, dass ungefähr 10% der in Säugetieren exprimierten Gene unter der Kontrolle der zirkadianen Uhr stehen, jedoch scheint die Überlappung dieser in verschiedenen Geweben sehr klein zu sein [1]. Mechanismen, wie es zu dieser Zelltyp-Spezifität von durch die Uhr regulierten Genen kommt, sind bislang unverstanden. Die humane Osteosarkoma Zelllinie U2OS besitzt eine funktionelle zirkadiane Uhr und wurde in vielen chronobiologischen Studien verwendet [2, 3, 4], dennoch wurden in einer Microarray-Analyse, außer den Hauptkomponenten der zirkadianen Uhr, keine rhythmischen Gene in dieser Zelllinie gefunden [3], während in der Leber von Mäusen ungefähr 3000 rhythmische Transkripte identifiziert wurden [3, 6, 5].

Diese Arbeit zeigt ChIP-sequencing Daten von BMAL1, CLOCK und CRY1, die darauf hindeuten, dass die zirkadianen Transkriptionsregulatoren sequenz-spezifisch an mehrere tausend Stellen im Genom von U2OS binden, einer Zahl vergleichbar mit der in Maus Leber [5]. Zwei Zeitreihen wurden auf Microarrays getestet um die Funktionalität der Bindungsstellen zu verifizieren, jedoch wurden nur 58 rhythmische Gene mit Bindungsstellen gefunden, was darauf schließen lässt, dass der Großteil der Bindungsstellen opportunistisch ist und nicht mit rhythmischer Transkription in Verbindung gebracht werden kann. Sogar Gene mit besonders guten Bindungsstellen in ihrem Promotor erscheinen arrhythmisch. U2OS Zelllinien wurden generiert, bei denen Luziferase-Reporter Konstrukte unter Kontrolle von repräsentativen Promotoren stabil integriert wurden. Diese Zellen zeigen, dass BMAL1 und CLOCK zwar auf diese Promotoren wirken, eine rhythmische Expression aber gleichzeitig überlagert wird durch eine hohe Basal-Transkription. Die Daten deuten darauf hin, dass Transkriptionsrhythmen mit hoher Amplitude durch konstitutive Expression maskiert werden, die die rhythmische Komponente der zirkadianen Uhr überschreibt, so dass eine scheinbare Arrhythmizität, bedingt durch Oszillationen mit sehr niedriger Amplitude, entsteht. Diese Arbeit schlägt vor, dass das Zelltyp-spezifische zirkadiane Transkriptom nicht auf der Ebene von BMAL1-CLOCK Bindung und rhythmischer Aktivierung der Transkription bestimmt wird, sondern durch ein Zelltyp-spezifisches Verhältnis von zirkadianen zu genspezifischen oder allgemeinen Transkriptionsregulatoren.

Bibliographie: [1] Satchidananda Panda, Marina P. Antoch, Brooke H. Miller, Andrew I. Su, Andrew B. Schook, Marty Straume, Peter G. Schultz, Steve A. Kay, Joseph S. Takahashi, and John B. Hogenesch. Coordinated transcription of key pathways in the mouse by the circadian clock. Cell, 109(3):307–20, May 2002. [2] Christopher Vollmers, Satchidananda Panda, and Luciano DiTacchio. A high-throughput assay for siRNA-based circadian screens in human U2OS cells. PloS ONE, 3(10):e3457, January 2008. [3] Michael E. Hughes, Luciano DiTacchio, Kevin R. Hayes, Christopher Vollmers, S. Pulivarthy, Julie E. Baggs, Satchidananda Panda, and John B. Hogenesch. Harmonics of circadian gene transcription in mammals. PLoS Genetics, 5(4):e1000442, April 2009. [4] Bert Maier, Sabrina Wendt, Jens T. Vanselow, Thomas Wallach, Silke Reischl, Stefanie Oehmke, Andreas Schlosser, and Achim Kramer. A large-scale functional RNAi screen reveals a role for CK2 in the mammalian circadian clock. Genes & Development, 23(6):708–18, March 2009. [5] Guillaume Rey, François Cesbron, Jacques Rougemont, Hans Reinke, Michael Brunner, and Felix Naef. Genome-Wide and Phase-Specific DNA-Binding Rhythms of BMAL1 Control Circadian Output Functions in Mouse Liver. PLoS Biology, 9(2):e1000595, February 2011. [6] Nobuya Koike, Seung-Hee Yoo, Hung-Chung Huang, Vivek Kumar, Choogon Lee, Tae-Kyung Kim, and Joseph S. Takahashi. Transcriptional Architecture and Chromatin Landscape of the Core Circadian Clock in Mammals. Science, 338(6105):349–54, August 2012.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Brunner, Prof. Dr. Michael
Date of thesis defense: 30 April 2013
Date Deposited: 02 Sep 2013 10:49
Date: 2013
Faculties / Institutes: Service facilities > Heidelberg University Biochemistry Center
Service facilities > Centre for Organismal Studies Heidelberg (COS)
Subjects: 570 Life sciences
610 Medical sciences Medicine
Controlled Keywords: Chronobiologie, Biologische Uhr
About | FAQ | Contact | Imprint |
OA-LogoDINI certificate 2013Logo der Open-Archives-Initiative