Vorhersage, Analyse und Bedeutung charakteristischer Transkriptionsfaktor-Bindestellen und deren potentielle Masterkontrollfunktion in der transkriptionellen Genregulation

Prediction, analysis and significance of characteristic transcription factor binding sites and their potential master control function for the transcriptional gene regulation

von Martin Haubrock geb. Bennemann
Dissertation
Datum der mündl. Prüfung:2021-09-23
Erschienen:2021-10-19
Betreuer:Prof. Dr. Edgar Wingender
Gutachter:Prof. Dr. Edgar Wingender
Gutachter:Prof. Dr. Stephan Waack
Zum Verlinken/Zitieren: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-8880

 

 

Dateien

Name:Dissertation_Martin_Haubrock.pdf
Size:29.2Mb
Format:PDF
Description:Dissertation

Lizenzbestimmungen:

Zusammenfassung

Englisch

In eukaryotes, transcriptional gene regulation is controlled by a set of transcription factors (TFs) and co-factors. Most TFs bind to specific DNA sequences. These binding sites are called transcription factor binding sites (TFBSs). A transcriptional regulatory region consists of different TFBSs that can be bound by a defined set of TFs. By protein interactions between the bound TFs and the accumulation of further TFs and co-factors, a regu- latory module is formed, which significantly influences the efficiency of transcription. Several of these modules are assembled at the actual transcription start site (TSS). A situation-specific activity of the transcription of a gene is mediated by a variable structure of these modules and their combination at the TSS. In this work, the characterizing property of a TFBS as a definitional core (seed) and its interacting TFs as master regulators of a potential regulatory module are investigated. Based on known binding site motifs (positional weighting matrices, PWMs) different analysis strategies were developed to determine seeds in various kinds of genomic sequence data. The first implemented method analyzes core binding sites for known sequence variations in genomic sequences. The second method determines seeds based on phylogenetic similarity using sequence alignments and comparative annotation. The third methodology determines defined seed binding sites in genome-wide regulatory sequence data. The importance of the core binding sites was investigated in this work in four sub-projects. Through these analyses, various properties of the module-forming TFBSs can be determined. In the first study, based on pathogenic human sequence variations, it is shown that a disease-related change in a TFBS is associated with a change in the TFs being bound at that site. This property has been proven in two different clinical studies. Seed binding sites can be used to create regulatory transcription networks (RTNs) and was investigated in the second sub-project. An RTN consists of seed binding sites and their interacting TFs. A comparison of different human tissue-specific RTNs reveals a common design principle based on the node degree distributions, although the individual seed binding sites are used in a very tissue-specific manner. The third sub-project demonstrates the importance of seeds and their active master regulators (TFs). For experimental regions actively bound by a TF, the responsible seed binding sites are shown to be of comparable quality in comparison to different cell types. This suggests that module-forming TFBSs and their interacting master regulators exhibit universal bind- ing site qualities. In the last sub-project, the special control function of the sequence-defined core binding sites in different regulatory regions is investigated. The study distinguishes between regulatory regions close to the TSS (promoters) and more distant regions (enhancers). Overall, a specific control function of sequence- defined seeds in both promoters and enhancers can be demonstrated. Furthermore, it can be shown that defined enhancer-promoter interactions are mediated by these core binding sites and their interacting master regulators directly or indirectly, based on co-factors.
Keywords: Transcription factor binding site; Transcription factor; Transcriptional gene regulation; Enhancer; Promoter

Deutsch

In Eukaryoten wird die transkriptionelle Genregulation durch eine Menge von Transkriptionsfaktoren (TFs) und Kofaktoren gesteuert. Die meisten TFs binden an bestimmte DNA-Sequenzabschnitte. Diese Bindestellen werden als Transkriptionsfaktor-Bindestellen (TFBSs) bezeichnet. Eine transkriptionsregulatorische Region besteht aus verschiedenen TFBSs, die durch eine definierte Menge an TFs gebunden werden können. Durch Proteininteraktionen zwischen den gebundenen TFs und die Anlagerung weiterer TFs und Kofaktoren wird auf diese Weise ein regulatorisches Modul aufgebaut, welches die Effizienz der Transkription maßgeblich beein- flusst. Verschiedene dieser Module werden am eigentlichen Ort der Transkription zusammengeführt. Durch einen variablen Aufbau dieser Module und deren Kombination wird eine situationsspezifische Aktivität der Transkription eines Gens vermittelt. In dieser Arbeit wird die prägende Eigenschaft einer TFBS als definitorischer Kern (Seed) und deren in- teragierende TFs als Masterregulatoren eines regulatorischen Moduls untersucht. Auf Grundlage bekannter Bindestellenbeschreibungen (Positionsgewichtungsmatrizen, PWMs) wurden verschiedene Analysestrategien entwickelt, um potenzielle Seeds in unterschiedlichen genomischen Daten zu bestimmen. Das zunächst im- plementierte Verfahren analysiert Kern-Bindestellen für bekannte Sequenzvariationen in genomischen Sequen- zen. Eine zweite Methode wird eingesetzt, um anhand von Sequenzalignments und vergleichender Annotation Seeds auf Grundlage phylogenetischer Ähnlichkeit zu ermitteln. Die dritte Methodik bestimmt qualitative Seed- Bindestellen in genomweit erzeugten regulatorischen Sequenzdaten. Die Bedeutung der Kern-Bindestellen wurde in dieser Arbeit in vier verschiedenen Teilprojekten untersucht. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen liefern neue Erkenntnisse über die Eigenschaften der modulprägenden TFBSs. In der ersten Untersuchung wird auf Grundlage von pathogenen menschlichen Sequenzvariationen gezeigt, dass eine krankheitsbezogene Sequenzvariation in einer TFBS mit einem Wechsel der dort bindenden TFs verbunden ist. Diese bedeutende Eigenschaft konnte durch zwei verschiedene medizinische Studien belegt werden. Die Vorhersage evolutionär konservierter Kern-Bindestellen erlaubt die Erstellung eines globalen reg- ulatorischen Transkriptionsnetzwerks (RTN) und wurde im zweiten Teilprojekt untersucht. Ein RTN besteht aus Seed-Bindestellen und deren interagierende TFs. Der Vergleich verschiedener menschlicher gewebespezi- fischer RTNs zeigt auf Basis der Knotengradverteilungen ein gemeinsames Konstruktionsprinzip, obwohl die einzelnen Seed-Bindestellen nur sehr gewebespezifisch verwendet werden. Das dritte Teilprojekt dokumentiert die Bedeutung der Seeds und ihrer aktiven Masterregulatoren (TFs) in genomweiten regulatorischen Regionen. Es zeigt sich, dass die verantwortlichen Kern-Bindestellen im Vergleich verschiedener Zelltypen eine vergleich- bare Qualität aufweisen. Dies lässt vermuten, dass Modul-prägende TFBSs und ihre interagierenden Master- regulatoren allgemeingültige Bindestellenqualtitäten besitzen. Im letzten Teilprojekt wird die besondere Kon- trollfunktion der sequenzdefinierten Kernbindestellen in verschiedenen regulatorischen Regionen analysiert. Die Untersuchung unterscheidet dabei die regulatorische Regionen in der Nähe des Transkriptionsstarts (Pro- motor) von weiter entfernt liegenden Bereichen (Enhancer). Es kann gezeigt werden, dass definierte Enhancer- Promotor-Interaktionen durch diese Kern-Bindestellen und die interagierenden Masterregulatoren direkt oder indirekt (durch Kofaktoren gebundene Masterregulatoren) vermittelt werden.
 
Statistik