Discovering transcriptional networks for cardiac development, function and disease with an systems biology approach

Abstract

The described approach to discover transcriptional networks for cardiac development, function and disease is based in the integration of clinical, phenotypic and molecular data at a global scale; a systems biology approach. To enable the integration of different relevant levels, a panel of molecular studies and computational developments have been performed, such as: \- Collection of biomaterial and detailed clinical phenotypes of congenital heart disease \- Set-up of a CardioVascular Genetics database and d-matrix as front- end/analysis tool \- Genome-wide gene expression profiling of normal and malformed human hearts \- Analysis of cardiac transcription factor binding in vivo and its functional consequences \- Characterization of epigenetic marks, such as histone modification at a global scale \- Studying the influence of the genomic organization on transcription \- Optimization of transcription factor binding prediction Finally, transcription networks based on the integration of obtained molecular and clinical data had been predicted. In time, methods for quantitative real-time PCR and the detection of single nucleotide polymorphism have been developed and optimized for sparse material, according to the needs of the used clinical samples. In the genome-wide studies, three transcription factors raised particular interest and have been studied in more detail. Thus CITED2 and TBX20 could be associated with congenital heart disease in human for the first time; mutations in CITED2 were shown to be potentially disease causative. DPF3 could be discovered as a novel epigenetic transcription factor of particular importance for cardiac and skeletal muscle development and function. Moreover, functional studies showed that DPF3 represents the first plant-homeodomains known to bind histone acetylation marks, which displays a novel protein-domain function.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Analyse transkriptioneller Netzwerke der Herzentwicklung, kardialen Funktion und Erkrankung. In einem systembiologischen Ansatz wurden klinische, phänotypische und molekulare Daten verknüpft um relevante Kontenpunkte der transkriptionellen Regulation zu identifizieren und zu charakterisieren. Die folgenden Studien standen im Zentrum: \- Sammlung von Biomaterial und dessen klinische Charakterisierung \- Aufbau einer kardiovaskulären genetischen Datenbank und Entwicklung der Software d-matrix \- Genomweite Geneexpressionsstudien bei normalen und malformierten humanen Herzen \- Analyse von Transkriptionsfaktorbindungsstellen in vivo und deren funktionellen Konsequenzen \- Charakterisierung von Histonmodifikationen in einem genomweiten Ansatz \- Studie des Einflusses der genomischen Organisation auf die Transkription \- Entwicklung optimierter Vorhersagen für Transkriptionsfaktorbindungsstellen Zur Analyse quantitativ limitierten Patientenmaterials wurden außerdem optimierte Methoden für die real-time PCR und SNP Detektion entwickelt. Basierend auf den obigen Studien konnten drei Transkriptionsfaktoren als Kontenpunkte des kardialen Transkriptionsnetzwerkes identifiziert werden. Erstmalig konnte die Relevanz von CITED2 und TBX20 für angeborene Herzfehler gezeigt und Mutationen im Cited-2 Gen als potentielle Erkrankungsursache identifiziert werden. Desweiteren wurde DPF3 als ein neuer epigenetischer Transkriptionsfaktor identifiziert und seine essentielle Funktion für die Herzmuskelentwicklung und Kontraktilität herausgestellt. DPF3 ist das erste PHD-Finger Protein, welches sowohl azetylierte als auch methylierte Histonmodifikationen erkennt und erweitert damit die Funktion der PHD-Finger Proteindomäne.