dc.contributor.author
Thormann, Verena
dc.date.accessioned
2018-06-07T21:18:14Z
dc.date.available
2018-01-15T10:42:05.796Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/7690
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-11889
dc.description.abstract
Transcription factors (TFs) are fundamental to the regulation of genes by
binding to genomic enhancer elements and orchestrating the expression of their
target genes. However, it is largely unclear which TF binding event(s)
contribute to the regulation of a specific gene, how cell type-specific
plasticity in gene expression is achieved and what minimal circuitry is
required to regulate a gene depending on the activity of a specific TF. Here,
I used the glucocorticoid receptor (GR), a hormone-activated TF, as a model
system to study the molecular mechanisms that determine the functional role of
enhancers. By genomically deleting, either alone or in combination, multiple
GR binding sites (GBSs) located within the GILZ enhancer, I systematically
investigated the interplay of multiple TF binding sites. This mutational
analysis demonstrated that multiple GBSs are bound independently but can act
cooperatively on gene expression as a single functional unit, which is only
active when all of its GBSs are intact. Furthermore, the deletion of GBSs
shared between two different cell types demonstrates how cell type-specific
differences in the three-dimensional (3D) genome organization and enhancer
blocking can rewire enhancer-promoter contacts. This rewiring enables a GBS
bound in two different cell types to direct the expression of distinct
transcript variants, thereby contributing to the cell type-specific
consequences of glucocorticoid signaling. Finally, I investigated the effect
of DNA motif sequence on GR activity, by exchanging the sequence of a single
GBS of the GILZ enhancer into different GBS motif variants. Whereas in
reporter assays this exchange resulted in quantitative changes in gene
expression, no effect was observed upon exchange in the endogenous context.
Hence, the genomic context can influence the regulatory potency of individual
GBS variants, for example by integrating regulatory information from multiple
GBSs. To investigate the role GBS variants in an isolated endogenous context,
I integrated a GBS at the promoter region of an endogenously silenced gene,
thereby activating its expression in a GR-dependent manner. This demonstrates
that a single GBS can be sufficient to induce GR-mediated regulation of an
associated gene and further provides a model system to investigate the effect
of GBS sequence variants in isolation. Together, genomic editing of GBSs in
their endogenous genomic context enables insights into the operating
priniciples of combinatorial gene regulation by multiple TF binding sites, but
also demonstrates that a single promoter-proximal GBS is sufficient to induce
GR-dependent gene expression. Furthermore, a GBS equally bound in two
different cell types can contribute to the establishment of cell type-specific
gene expression patterns by differences in 3D genome organization and enhancer
blocking.
de
dc.description.abstract
Die Bindung von Transkriptionsfaktoren (TF) an genomische Enhancer-Elemente
ist elementar für die Regulation von Genen. Bis heute ist es jedoch weitgehend
unklar, welche Bindungsereignisse zur Regulation eines spezifischen Zielgenes
beitragen, wie unterschiedliche Genexpressionsmuster zelltypspezifisch
reguliert und welche minimalen Regulationsanordnungen benötigt werden, um ein
Gen TF-abhängig zu regulieren. In meiner Doktorabeit verwende ich als
Modelsystem den Glukokortikoidrezeptor (GR), einen hormon-aktivierbaren TF, um
die molekularen Mechanismen zu untersuchen, die die funktionelle Rolle von
Enhancer-Elementen beeinflussen. Durch die genomische Zerstörung von einzelnen
und mehreren GR-Bindestellen (GBS) des GILZ Enhancers, habe ich das
regulatorische Zusammenspiel von mehreren TF-Bindestellen systematisch
untersucht. Diese Mutationsanalyse zeigte, dass mehrere GBS zwar voneinander
unabhängig durch GR gebunden werden, aber dennoch kooperativ als funktionelle
Einheit die Genexpression beeinflussen, so lange alle beinhalteten GBS intakt
sind. Durch die genomische Zerstörung einer GBS, die in zwei verschiedenen
Zelltypen von GR gebunden wird, konnte ich zudem zeigen, dass
zelltypspezifische Unterschiede in der dreidimensionalen (3D)
Genomorganisation und Enhancer-Blocking Enhancer-Promoter Kontakte neu
verbinden kann. Die Verbindung unterschiedlicher Enhancer-Promoter Kontakte
ermöglicht die Expression verschiedener Transkriptvarianten eines Genes und
kann dadurch zu den zelltypspezifischen Effekten von Glukokortikoiden
beitragen. Zudem habe ich den Effekt von DNA Motifsequenzen auf die Aktivität
von GR untersucht, indem ich die Sequenz einer GBS des GILZ Enhancers in
verschiedene GBS-Motifsequenzen umgewandelt habe. Während in Reporter Assays
der Austausch von GBS-Motifvarianten in quantitativen Unterschieden in der
Genexpression resultierte, zeigte sich im genomischen Kontext kein Effekt auf
die Regulation von GILZ. Demzufolge, kann der genomische Kontext die
regulatorische Wirkung von GBS-Motifvarianten beeinflussen, z.B. durch die
Integration von regulatorischer Information von mehreren GBS. Um GBS-
Motifvarianten in einem isolierten, endogenen Umfeld zu untersuchen, habe ich
eine einzelne GBS an der Promoter-Region eines endogen nicht exprimierten
Genes platziert. Diese Integration zeigt, dass die Präsenz einer einzelnen GBS
ausreichen kann, um ein Gen GR-abhängig zu regulieren und stellt zudem ein
Modelsystem dar, um die Rolle von GBS-Motifvarianten in Isolation zu testen.
Zusammenfassend kann die genomische Editierung Einblicke in die Funktionsweise
der kombinatorischen Regulation durch mehrere TF-Bindestellen ermöglichen und
zeigt zudem, dass eine einzige Promoter-proximale GBS ausreichen kann, um ein
Gen GR-abhängig zu regulieren. Zusätzlich zeigt diese Arbeit, dass eine GBS,
die in zwei verschiedenen Zelltypen gleichermaßen gebunden wird, durch
Unterschiede in der 3D Genomorganisation und Enhancer-Blocking zur
zelltypspezifischen Genexpression beitragen kann.
de
dc.format.extent
110, xvii Seiten
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
transcriptional regulation
dc.subject
glucocorticoid receptor
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::570 Biowissenschaften; Biologie::572 Biochemie
dc.title
Genomic Deletion of Enhancers Uncovers Principles of Combinatorial Regulation
and Cell Type-Specific Gene Expression
dc.contributor.contact
thorm_v@molgen.mpg.de
dc.contributor.firstReferee
Dr. Sebastiaan Meijsing
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Markus Wahl
dc.date.accepted
2017-10-27
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000106274-5
dc.title.translated
Die genomische Deletion von Enhancern enthüllt Prinzipien der kombinatorischen
Regulation und zelltyp-spezifischen Genexpression
de
refubium.affiliation
Biologie, Chemie, Pharmazie
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000106274
refubium.mycore.derivateId
FUDISS_derivate_000000023097
dcterms.accessRights.dnb
free
dcterms.accessRights.openaire
open access