dc.contributor.author
Starick, Stephan Raphael
dc.date.accessioned
2018-06-07T17:18:08Z
dc.date.available
2015-05-11T07:24:38.177Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/3668
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-7868
dc.description.abstract
Organisms have evolved cell types for different functions. Transcriptional
regulation of subsets of genes by binding of transcription factors (TFs) to
DNA sequences within regulatory regions is essential to manifest cellular
phenotypes. Examination of genomic binding sites of the glucocorticoid
receptor (GR), a hormone inducible TF, showed that only a small percentage of
many possible GR binding sequences in the genome is actually GR-bound.
Furthermore, only a fraction of the GR-bound regions appeared to contain the
classical GR consensus sequence, indicating that this sequence is neither
necessary nor sufficient to explain GR binding. This raises two questions:
First, what features of the chromatin landscape discriminate bound from
unbound GR binding sequences and second, what sequences, other than the
classical binding sequence, can recruit GR to the genome? Density and
organization of DNA-enwound nucleosomes divides the genome’s chromatin
landscape into TF-accessible “open“ and “closed“ regions. Our GR chro- matin
immunoprecipitation (ChIP) showed a predominant GR-binding to “open“
chromatin, with one distinctive feature: A specific depletion of GR-binding at
pro- moter regions of the “open“ chromatin universe. This depletion could be
explained to some extend by a reduced frequency of GR’s canonical motif-
matching sequences in these regions. However, sequence composition of promoter
regions explains only part of the depletion and our Hierarchical Bayes
Modeling of GR-binding, using chromatin marks as model features, indicated
additional candidate mechanisms. For example, we found typical promoter marks
(e.g. H3K9ac) to be negatively correlated with GR-binding in the “open“
chromatin universe. These acetylation marks are set by histone
acetyltransferases that can also post-translationally modify GR and attenuate
its interaction with DNA (Kino & Chrousos 2011) thereby providing a possible
explanation for the promoter-proximal depletion observed. As we found that a
large fraction of GR-bound regions lack a canonical GR binding sequence, we
asked what sequences recruit GR to individual loci? To identify these
sequences at high resolution, we used ChIP-Exo, taking advantage of an
exonuclease trimming of ChIP fragments to the protein:DNA cross-linking point
which protects the DNA from further digestion. We exploited this signal by
determining footprint profiles of TF binding at single base pair resolution,
using ExoProfiler, a computational motif-based pipeline. Comparison of our and
the few public available ChIP-Exo datasets revealed: footprints are protein
and recognition-sequence-specific signatures of TF binding sites that allow to
distinguish direct and indirect (tethering to other DNA-bound proteins) GR
binding and captures information about TFs other than the one directly
targeted by the antibody. We show that the absence of classical recognition
sequences can be explained, in part, by direct GR binding to degenerate
canonical GR binding sequences. Furthermore, my study identified a new mode of
DNA binding, where GR binds as a heterodimer together with a member of the ETS
or TEAD families of TFs. Finally, our studies indicate that GR can be
recruited indirectly to the genome via FOX or STAT proteins. Together, our
generically applicable footprint-based approach uncovers new structural and
functional insights into the diverse ways of genomic cooperation and
association of GR.
de
dc.description.abstract
Zelltypen entwickelten sich, um die unterschiedlichen Funktionen eines
Organismus zu erfüllen. Die spezifische Regulation der genetischen Information
ist essentiell für die Aufrechterhaltung der einzelnen Zellphänotypen und wird
durch die Bindung von Transkriptionsfaktoren an DNA-Sequenzen innerhalb
regulatorischer Regionen ermöglicht. Untersuchungen an dem Glucocorticoid-
Rezeptor (GR), einem hormonabhängigen Transkriptionsfaktor (TF), zeigten, dass
nur ein kleiner Anteil aller möglichen genomischen GR-Bindesequenzen
tatsächlich von GR gebunden wird. Zudem weist nur ein Bruchteil aller GR-
Bindestellen eine klassische GR-Bindesequenz auf. Dies lässt den Schluss zu,
dass diese DNA-Sequenz weder notwendig, noch ausreichend ist, um zu erklären
wo GR im Genom bindet. Es stellen sich daher zwei Fragen: 1.) Lassen sich
Unterschiede in der Chromatinlandschaft identifizieren, welche die genomischen
Bindestellen von GR erklären und 2.) welche Sequenzen, neben den klassischen
GR-Bindesequenzen, bewirken eine genomische Binding des GR? Ein Merkmal des
Chromatins ist die Organisation von DNA in Nukleosomen, deren Verpackungsgrad
das Genom in für TF zugängliche „offene“ und „geschlossene“ Bereiche teilt.
Unsere GR-Chromatin-Immunpräzipitationen (ChIP) wiesen eine deutliche
Präferenz der Binding von GR zu „offenem“ Chromatin auf, allerdings mit einer
Besonderheit: GR bindet in „offenem“ Chromatin deutlich vermindert an
Promoterregionen. Dies konnte teilweise durch eine verminderte Häufigkeit an
Sequenzen, die dem klassischen GR-Motiv entsprechen, erklärt werden. Wir
fanden jedoch auch Hinweise für zusätzliche Mechanismen. Hierarchical Bayes
Modeling von GR-Bindestellen und Chromatinmerkmalen zeigte eine negative
Korrelation von promoterspezifischen Histonmodifizierungen (z.B. H3K9ac) und
der Binding von GR. Die für die Histonacetylierung verantwortlichen
Histonacetyltransferasen verändern ebenfalls GR posttranslational und
schwächen somit seine Interaktion mit der DNA (Kino & Chrousos 2011), was eine
zusätzliche Erklärung für die von uns gefundene, verminderte promoterproximale
Bindung von GR sein könnte. Da die Sequenzanalyse von GR-Bindestellen eine
große Anzahl GR gebundener Regionen aufwies, die keine klassische GR-
Bindesequenz enthielten, fragten wir uns, welche zusätzlichen Sequenzen in der
Lage sind, GR an spezifische Loci zu rekrutieren. Um solche Sequenzen mit
hoher Auflösung zu identifizieren, verwendeten wir eine modifizierte Version
des klassisches ChIPs bei der eine Exonuclease die ChIP-Fragmente bis zur
Crosslink-Stelle von Protein:DNA- Interaktionstelle degradiert (ChIP-Exo). Die
zuvor durch Formaldehyd- Quervernetzung fixierte Interaktionsstelle schützt
die DNA vor weiterer Degradierung. Mittels unseres ExoProfilers, einem
computergestützten und motivbasierten Ansatz zur Identifizierung von TF-
Bindestellen, wurden die resultierenden Next-Generation-Sequencing-Signale zu
sogenannten footprint profiles von TF-Bindestellen mit basenpaargenauer
Auflösung verrechnet. Der Vergleich unserer und der wenigen frei verfügbaren
ChIP-Exo-Daten machte deutlich, dass footprints protein- und
sequenzspezifische Merkmale von TF-Bindestellen sind. Dieses Wissen
ermöglichte uns, zu unterscheiden, ob GR direkt oder indirekt (über ein
zusätzliches Protein; tethering) an die DNA gebunden ist. Zudem erkannten wir,
dass ChIP-Exo Informationen über Transkriptionsfaktoren liefert, die
zusätzlich zu dem mit dem Antikörper erkannten TF am Genom gebunden sind. Wir
konnten zeigen, dass das Fehlen einer klassischen GR-Bindesequenz teilweise
mit dem Binden an degenerierte GR-Motive erklärt werden kann. Darüber hinaus
konnten wir anhand meiner Experiment eine neue Art der GR-Binding
identifizieren, bei der GR als heterodimer an die DNA bindet, zusammen mit
Transkriptionsfaktoren von Mitgliedern der ETS- und TEAD-Proteinfamilie.
Abschließend finden sich durch unsere Arbeit Hinweise darauf, dass die
Rekrutierung von GR zu bestimmten genomischen Bereichen von Fox und ST A T
Proteinen bewirkt wird. Zusammengefasst erlangen wir mit unserem allgemein
anwendbareren und auf TF- footprints basierenden Ansatz strukturelle, sowie
funktionelle Erkenntnisse, welche die vielfältigen Interaktionen auf
genomischer Ebene im Allgemeinen und des GRs im Besonderen betreffen.
de
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
transcriptional regulation
dc.subject
nuclear hormone receptor
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::570 Biowissenschaften; Biologie::570 Biowissenschaften; Biologie
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::570 Biowissenschaften; Biologie::576 Genetik und Evolution
dc.title
DNA sequence and chromatin landscape regulate genomic binding of the
glucocorticoid receptor
dc.contributor.contact
stephan.starick@gmail.com
dc.contributor.firstReferee
Dr. Harald Seitz
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Rupert Mutzel
dc.date.accepted
2015-04-28
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000099220-5
dc.title.translated
DNA-Sequenz und Chromatinlandschaft regulieren die genomische Bindung des
Glucocorticoid Rezeptors
de
refubium.affiliation
Biologie, Chemie, Pharmazie
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000099220
refubium.mycore.derivateId
FUDISS_derivate_000000017012
dcterms.accessRights.dnb
free
dcterms.accessRights.openaire
open access