dc.contributor.author
Fischer, Jenny J.
dc.date.accessioned
2018-06-07T22:45:10Z
dc.date.available
2008-01-14T00:00:00.649Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/9601
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-13799
dc.description
Title and Contents I
1\. Introduction 1
2\. Aims 23
3\. Materials and Methods 25
4\. Results 41
5\. Discussion 85
6\. Outlook 105
7\. Summary 107
8\. Zusammenfassung 109
9\. References 113
10\. Supplementary Data 125
11\. Appendix 141
13\. List of Own Publications 158
dc.description.abstract
In this study the role of histone modifications and their potential
interactions with four key cardiac transcription factors in the context of
heart development and congenital heart diseases were studied. While histone
modifications influence the compaction of chromatin and consequently the
accessibility of DNA, transcription factors (TFs) are responsible for a fine
tuning of expression. Two histone acetylations and two histone methylations
were studied which were previously described to be associated with active
transcription: H3ac, H4ac, H3K4me2 and H3K4me3. The transcription factors
Gata4, Mef2a, Nkx2.5, and Srf are known to be essential for heart development
and form a regulatory subnetwork in which they regulate each others
expression.
To gain insight into the processes regulating gene expression, the histone
modifications and transcription factors were investigated, using heart and
skeletal muscle cells as model systems. Their combinatorial occurrence was
determined by chromatin immunoprecipitation followed by detection on custom
arrays (ChIP-chip). The arrays represent the 12,625 transcription start sites
of 8,585 murine genes. This information was combined with expression array
data of the same genes and RNA interference (RNAi) experiments targeting the
investigated transcription factors.
The developed research tools such as array designs, the software package for
the analysis, the raw data and a results database were made publicly
available. The presented data set demonstrated that the average transcript
levels associated with combinations of modifications are not simply related to
those associated with individual modifications, supporting the histone code
hypothesis: Different combinations of modifications are associated with
significantly different transcript levels and the levels of these combinations
are not additively related to the levels associated with the individual
modifications. The dynamics of histone modifications during muscle cell
differentiation suggests that they may have a major function as signaling
marks for the recruitment of TFs.
The four investigated transcription factors not only regulate each others
expression but also have a high number of coregulated target genes, many of
which are themselves transcription factors. An example is the T-box
transcription factor Tbx20, which was identified as a novel target. This
suggests that Gata4, Mef2a, Nkx2.5, and Srf can be placed at the top of
several regulatory cascades. Analysis of the binding sequences showed that the
conservation of binding sites is lower than previously suggested and
furthermore revealed a novel binding motif for Srf. The TFs were found to
frequently bind at sites of histone modifications and to mainly function as
activators of transcription. The activating potential of Gata4 and Srf was
even enhanced at sites of H3ac: possibly a consequence of the interaction
between these transcription factors and the histone acetyl transferase (HAT)
p300.
de
dc.description.abstract
In dieser Arbeit wurden die Rolle von Histon-Modifikationen sowie ihre
möglichen Interaktionen mit vier Schlüssel-Transkriptionsfaktoren (TFs) im
Kontext von Herz-Entwicklung und angeborenen Herz-Erkrankungen untersucht.
Histon-Modifikationen beeinflussen maßgeblich den Grad der Kompaktierung von
Chromatin und damit auch die Zugänglichkeit der DNA. Transkriptionsfaktoren
dagegen sind für die Feinjustierung der Expression verantwortlich. Zwei
Histonacetylierungen und zwei Histonmethylierungen wurden untersucht, deren
Einfluss auf die Transkription als aktivierend gilt: H3ac, H4ac, H3K4me2 und
H3K4me3. Die Transkriptionsfaktoren Gata4, Mef2a, Nkx2.5, und Srf sind
essentiell für die Entwicklung des Herzens und bilden ein Teilnetzwerk, in dem
sie ihre Expression gegenseitig regulieren.
Um Einblicke in die Steuerung der Genexpression zu erlangen, wurden die
Histon-Modifikationen und die vier Transkriptionsfaktoren in Herz- und
Skelettmuskelzellen als Modellsysteme verwendet. Die Kombinatorik ihres
Auftretens wurde mittels Chromatin-Immunopräzipitation und einer
anschließenden Analyse auf maßgeschneiderten Arrays ermittelt (ChIP-chip). Die
Arrays repräsentieren die 12.625 Transkription-Starts von 8.585 murinen Genen.
Diese Information wurde mit den Ergebnissen einer Expressionsanalyse der
gleichen Gene sowie mit RNA Interferenz (RNAi) Experimenten gegen die
Transkriptionsfaktoren kombiniert.
Die entwickelten Analyse-Werkzeuge, wie die Designs der Arrays, das Software-
Paket für die Auswertung, die Rohdaten und eine Datendank der Ergebnisse,
wurden über das Internet allgemein zugänglich gemacht. Die hier vorgestellten
Daten zeigen, dass die durchschnittlichen Expressionswerte, die mit
Kombinationen von Modifikationen einhergehen, sich nicht einfach aus den
Expressionswerten der Gene, die mit einzelnen Modifikationen assoziiert sind,
ableiten lassen. Diese Befunde unterstützen die Histon Code Hypothese:
Verschiedene Kombinationen von Histon-Modifikationen sind mit signifikant
unterschiedlichen Expressionswerten verknüpft, und das Expressionsniveau der
Kombinationen ergibt sich mitnichten als Summe der Expressionsniveaus, die mit
den einzelnen Modifikationen assoziiert sind. Die Dynamik der Histon-
Modifikationen während der Differenzierung von Muskelzellen suggeriert, dass
sie eine wichtige Rolle als Signale für die Rekrutierung von
Transkriptionsfaktoren spielen könnten.
Die vier untersuchten Transkriptionsfaktoren regulieren sich nicht nur
gegenseitig, sondern haben auch eine hohe Zahl von gemeinsamen Zielgenen, von
denen zahlreiche selbst wieder Transkriptionsfaktoren sind. Ein Bespiel dafür
ist der als neues Zielgen identifizierte T-box Transkriptionsfaktor Tbx20. Auf
Grund dieser Ergebnisse können Gata4, Mef2a, Nkx2.5 und Srf am Beginn von
mehreren regulatorischen Kaskaden plaziert werden. Die Analyse der von den
Faktoren gebundenen DNA-Sequenzen zeigt, dass diese weniger gut konserviert
sind als bisher vermutet wurde; weiterhin konnte ein neues Bindungsmotif für
Srf identifiziert werden. Die untersuchten Transkriptionsfaktoren binden meist
in Bereichen, in denen auch Histon-Modifikationen gefunden wurden, und
fungieren überwiegend als Aktivatoren der Genexpression. Dieses aktivierende
Potential wird im Falle von Gata4 und Srf noch verstärkt, wenn gleichzeitig
H3ac vorliegt; dies ist möglicherweise eine Konsequenz der Interaktion der
Transkriptionsfaktoren mit der Histonacetyltransferase (HAT) p300.
de
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
histone modifications
dc.subject
transcription factors
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::570 Biowissenschaften; Biologie::570 Biowissenschaften; Biologie
dc.title
Regulatory Networks of Gene Expression in Heart and Skeletal Muscle Cells on
the Level of Histone Modifications and Transcription Factors
dc.contributor.firstReferee
Prof. Dr. Hans Lehrach
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Gerd Multhaup
dc.date.accepted
2007-12-10
dc.date.embargoEnd
2008-01-24
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000003521-4
dc.title.translated
Regulatorische Netzwerke der Genexpression in Herz- und Skelettmuskelzellen
auf der Ebene von Histonmodifikationen und Transkriptionsfaktoren
de
refubium.affiliation
Biologie, Chemie, Pharmazie
de
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FUDISS_thesis_000000003521
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http://www.diss.fu-berlin.de/2008/46/
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open access