TY - THES A1 - Bangalore, Disha Mohan T1 - Mechanistic studies of protein-DNA interactions by single molecule atomic force microscopy T1 - Mechanistische Untersuchungen von protein-DNA-Wechselwirkungen mittels Einzelmolekül-Rasterkraftmikroskopie N2 - Protein-DNA interactions are central to many biological processes and form the bedrock of gene transcription, DNA replication, and DNA repair processes. Many proteins recognize specific sequences in DNA- a restriction enzyme must only cut at the correct sequence and a transcription factor should bind at its consensus sequence. Some proteins are designed to bind to specific structural or chemical features in DNA, such as DNA repair proteins and some DNA modifying enzymes. Target-specific DNA binding proteins initially bind to non-specific DNA and then search for their target sites through different types of diffusion mechanisms. Atomic force microscopy (AFM) is a single-molecule technique that is specifically well-suited to resolve the distinct states of target-specific as well as nonspecific protein-DNA interactions that are vital for a deeper insight into the target site search mechanisms of these enzymes. In this thesis, protein systems involved in epigenetic regulation, base excision repair (BER), and transcription are investigated by single-molecule AFM analyses complemented by biochemical and biophysical experiments. The first chapter of this thesis narrates the establishment of a novel, user-unbiased MatLab-based tool for automated DNA bend angle measurements on AFM data. This tool has then been employed to study the initial lesion detection step of several DNA glycosylases. These results promoted a model describing the altered plasticities of DNA at the target lesions of DNA glycosylases as the fundamental mechanism for their enhanced efficiency of lesion detection. In the second chapter of this thesis, the novel automated tool has been further extended to provide protein binding positions on the DNA along with corresponding DNA bend angles and applied to the study of DNMT3A DNA methyltransferase. These AFM studies revealed preferential co-methylation at specific, defined distances between two CpG sites by the enzyme and when combined with biochemical analyses and structural modelling supported novel modes of CpG co-methylation by DNMT3A. In the third chapter of this thesis, the role of 8-oxo-guanine glycosylase (hOGG1) in Myc-mediated transcription initiation has been investigated. AFM analyses revealed that in the presence of oxidative damage in DNA, Myc is recruited to its target site (E-box) by hOGG1 through direct protein-protein interactions, specifically under oxidizing conditions. Intriguingly, oxidation of hOGG1 was further observed to result in dimerization of hOGG1, which may also play a role in the mechanism of transcription regulation by hOGG1 under oxidative stress. N2 - Protein-DNA-Wechselwirkungen sind für viele biologische Prozesse von zentraler Bedeutung und bilden die Grundlage der Gentranskription, der DNA-Replikation und der DNA-Reparaturprozesse. Viele Proteine erkennen bestimmte Bassen-Sequenzen in der DNA - ein Restriktionsenzym darf nur an der richtigen Sequenz schneiden, und ein Transkriptionsfaktor sollte an seine Konsenssequenz binden. Einige Proteine sind darauf ausgelegt, an bestimmte strukturelle oder chemische Merkmale der DNA zu binden, wie z. B. DNA-Reparaturproteine und verschiedene DNA-modifizierende Enzyme. Zielspezifische DNA-bindende Proteine binden zunächst an unspezifische DNA und suchen dann durch verschiedene Arten von Diffusionsmechanismen nach ihren Zielstellen in der DNA. AFM ist eine Einzelmolekültechnik, die besonders gut geeignet ist, um die verschiedenen Zustände sowohl der spezifisch gebundenen als auch unspezifischen Protein-DNA-Wechselwirkungen aufzulösen, die für einen tieferen Einblick in die Mechanismen der Zielstellensuche unerlässlich sind. In dieser Arbeit werden Proteinsysteme, die an der epigenetischen Regulation, der Basenexzisionsreparatur (BER) und der Transkription beteiligt sind, durch Einzelmolekül- AFM-Analysen untersucht, und diese Studien werden durch biochemische und biophysikalische Experimente komplementiert. ... KW - Transcription KW - atomic force microscopy KW - protein-DNA interactions Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-252047 ER - TY - THES A1 - Ji, Changhe T1 - The role of 7SK noncoding RNA in development and function of motoneurons T1 - Die Rolle der nichtkodierenden RNA 7SK bei der Entwicklung und Funktion von Motoneuronen N2 - In mammals, a major fraction of the genome is transcribed as non-coding RNAs. An increasing amount of evidence has accumulated showing that non-coding RNAs play important roles both for normal cell function and in disease processes such as cancer or neurodegeneration. Interpreting the functions of non-coding RNAs and the molecular mechanisms through which they act is one of the most important challenges facing RNA biology today. In my Ph.D. thesis, I have been investigating the role of 7SK, one of the most abundant non-coding RNAs, in the development and function of motoneurons. 7SK is a highly structured 331 nt RNA transcribed by RNA polymerase III. It forms four stem-loop (SL) structures that serve as binding sites for different proteins. Larp7 binds to SL4 and protects the 3' end from exonucleolytic degradation. SL1 serves as a binding site for HEXIM1, which recruits the pTEFb complex composed of CDK9 and cyclin T1. pTEFb has a stimulatory role for transcription and is regulated through sequestration by 7SK. More recently, a number of heterogeneous nuclear ribonucleoproteins (hnRNPs) have been identified as 7SK interactors. One of these is hnRNP R, which has been shown to have a role in motoneuron development by regulating axon growth. Taken together, 7SK’s function involves interactions with RNA binding proteins, and different RNA binding proteins interact with different regions of 7SK, such that 7SK can be considered as a hub for recruitment and release of different proteins. The questions I have addressed during my Ph.D. are as follows: 1) which region of 7SK interacts with hnRNP R, a main interactor of 7SK? 2) What effects occur in motoneurons after the protein binding sites of 7SK are abolished? 3) Are there additional 7SK binding proteins that regulate the functions of the 7SK RNP? Using in vitro and in vivo experiments, I found that hnRNP R binds both the SL1 and SL3 region of 7SK, and also that pTEFb cannot be recruited after deleting the SL1 region but is able to bind to a 7SK mutant with deletion of SL3. In order to answer the question of how the 7SK mutations affect axon outgrowth and elongation in mouse primary motoneurons, we proceeded to conduct rescue experiments in motoneurons by using lentiviral vectors. The constructs were designed to express 7SK deletion mutants under the mouse U6 promoter and at the same time to drive expression of a 7SK shRNA from an H1 promoter for the depletion of endogenous 7SK. Using this system we found that 7SK mutants harboring deletions of either SL1 or SL3 could not rescue the axon growth defect of 7SK-depleted motoneurons suggesting that 7SK/hnRNP R complexes are integral for this process. In order to identify novel 7SK binding proteins and investigate their functions, I proceeded to conduct pull-down experiments by using a biotinylated RNA antisense oligonucleotide that targets the U17-C33 region of 7SK thereby purifying endogenous 7SK complexes. Following mass spectrometry of purified 7SK complexes, we identified a number of novel 7SK interactors. Among these is the Smn complex. Deficiency of the Smn complex causes the motoneuron disease spinal muscular atrophy (SMA) characterized by loss of lower motoneurons in the spinal cord. Smn has previously been shown to interact with hnRNP R. Accordingly, we found Smn as part of 7SK/hnRNP R complexes. These proteomics data suggest that 7SK potentially plays important roles in different signaling pathways in addition to transcription. N2 - Bei Säugetieren wird ein großer Teil des Genoms als nicht-kodierende RNAs transkribiert. Es gibt immer mehr Hinweise darauf, dass nicht-kodierende RNAs eine wichtige Rolle sowohl für die normale Zellfunktion als auch bei Krankheitsprozessen wie Krebs oder Neurodegeneration spielen. Die Interpretation der Funktionen nicht-kodierender RNAs und der molekularen Mechanismen, über die sie wirken, ist eine der wichtigsten Herausforderungen, denen die RNA-Biologie heute gegenübersteht. In meiner Promotionsarbeit habe ich die Rolle von 7SK, einer der am häufigsten vorkommenden nicht-kodierenden RNAs, bei der Entwicklung und Funktion von Motoneuronen untersucht. 7SK ist eine RNA, die aus 331 Nukleotiden besteht und deren Struktur bekannt ist. Sie wird von der RNA-Polymerase III transkribiert. Sie bildet vier Stem-Loop (SL)-Strukturen, die als Bindungsstellen für verschiedene Proteine dienen. LARP7 bindet an SL4 und schützt das 3'-Ende vor exonukleolytischem Abbau. SL1 dient als Bindungsstelle für HEXIM1, das den P-TEFb-Komplex rekrutiert, der aus CDK9 und Cyclin T1 besteht. P-TEFb hat eine stimulierende Rolle für die Transkription und wird durch Sequestrierung durch 7SK reguliert. In jüngerer Zeit wurde eine Reihe von heterogenen nukleären Ribonukleoproteinen (hnRNPs) als 7SK-Interaktoren identifiziert. Eines davon ist hnRNP R, von dem gezeigt wurde, dass es eine Rolle bei der Entwicklung von Motoneuronen spielt, indem es das Axonwachstum reguliert. Durch die Interaktion mit P-TEFb und RNA-bindenden Proteinen kann 7SK als Drehscheibe für die Rekrutierung und Freisetzung verschiedener Proteine betrachtet werden. Die Fragen, mit denen ich mich während meiner Doktorarbeit beschäftigt habe, lauten wie folgt: 1) Welche Region von 7SK interagiert mit hnRNP R, einem Hauptinteraktor von 7SK? 2) Welche Effekte treten in Motoneuronen auf, wenn die Bindung von hnRNP R an 7SK inhibiert wird? 3) Gibt es zusätzliche 7SK-bindende Proteine, die die Funktionen des 7SK RNPs regulieren? Mit Hilfe von in vitro und in vivo Experimenten fand ich heraus, dass hnRNP R sowohl die SL1- als auch die SL3-Region von 7SK bindet, und dass P-TEFb nach der Deletion der SL1-Region nicht rekrutiert werden kann, aber in der Lage ist, an eine 7SK-Mutante mit Deletion von SL3 zu binden. Um die Frage zu beantworten, wie sich die 7SK-Mutationen auf Axonwachstum in primären Motoneuronen der Maus auswirken, führten wir Rettungsexperimente an Motoneuronen unter Verwendung lentiviraler Vektoren durch. Die Konstrukte wurden so konzipiert, dass sie 7SK-Deletionsmutanten durch den U6-Promotor der Maus exprimieren und gleichzeitig eine 7SK-shRNA von einem H1-Promotor für die Depletion von endogenem 7SK transkribieren. Mit diesem System fanden wir heraus, dass 7SK-Mutanten, die Deletionen von SL1 oder SL3 beherbergen, den Axon-Wachstumsdefekt von 7SK-depletierten Motoneuronen nicht retten konnten, was darauf hindeutet, dass 7SK/hnRNP R-Komplexe für diesen Prozess von Bedeutung sind. Um neue 7SK-Bindungsproteine zu identifizieren und ihre Funktionen zu untersuchen, führte ich Pulldown-Experimente durch, bei denen ich ein biotinyliertes RNA-Antisense-Oligonukleotid verwendete, das an die U17-C33-Region von 7SK bindet und dadurch Aufreinigung endogener 7SK-Komplexe erlaubt. Nach der Massenspektrometrie der gereinigten 7SK-Komplexe identifizierten wir eine Reihe neuer 7SK-Interaktoren. Einer davon ist der Smn-Komplex. Ein Mangel des Smn-Komplexes verursacht die Motoneuronerkrankung Spinale Muskelatrophie (SMA), die durch den Verlust der unteren Motoneuronen im Rückenmark gekennzeichnet ist. Es wurde bereits gezeigt, dass Smn mit hnRNP R interagiert. Dementsprechend fanden wir Smn als Teil des 7SK/hnRNP R-Komplexes. Diese Proteom-Daten deuten darauf hin, dass 7SK neben der Transkription möglicherweise auch in anderen Signalwegen wie der spliceosomalen snRNP Biogenese eine wichtige Rolle spielt. KW - Spliceosome KW - Interaction of 7SK with the Smn complex modulates snRNP production KW - 7SK KW - SMN KW - snRNP KW - Transcription KW - hnRNP Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-224638 ER - TY - THES A1 - Hofstetter, Julia Eva Ines T1 - MYC shapes the composition of RNA polymerase II through direct recruitment of transcription elongation factors T1 - MYC beeinflusst die Zusammensetzung der RNA-Polymerase II durch die direkte Rekrutierung von Transkriptions-Elongationsfaktoren N2 - The transcription factor MYC is a onco-protein, found to be deregulated in many human cancers. High MYC levels correlate with an aggressive tumor outcome and poor survival rates. Despite MYC being discovered as an oncogene already in the 1970s, how MYC regulates transcription of its target genes, which are involved in cellular growth and proliferation, is not fully understood yet. In this study, the question how MYC influences factors interacting with the RNA polymerase II ensuring productive transcription of its target genes was addressed using quantitative mass spectrometry. By comparing the interactome of RNA polymerase II under varying MYC levels, several potential factors involved in transcriptional elongation were identified. Furthermore, the question which of those factors interact with MYC was answered by employing quantitative mass spectrometry of MYC itself. Thereby, the direct interaction of MYC with the transcription elongation factor SPT5, a subunit of the DRB-sensitivity inducing factor, was discovered and analyzed in greater detail. SPT5 was shown to be recruited to chromatin by MYC. In addition, the interaction site of MYC on SPT5 was narrowed down to its evolutionary conserved NGN-domain, which is the known binding site for SPT4, the earlier characterized second subunit of the DRB-sensitivity inducing factor. This finding suggests a model in which MYC and SPT4 compete for binding the NGN-domain of SPT5. Investigations of the SPT5-interacting region on MYC showed binding of SPT5 to MYC’s N-terminus including MYC-boxes 0, I and II. In order to analyze proteins interacting specifically with the N-terminal region of MYC, a truncated MYC-mutant was used for quantitative mass spectrometric analysis uncovering reduced binding for several proteins including the well-known interactor TRRAP and TRRAP-associated complexes. Summarized, ... N2 - Bei dem Transkriptionsfaktor MYC handelt es sich um ein Onkoprotein, welches in einer Vielzahl der menschlichen Krebserkrankungen in erhöhter Konzentration vorliegt, was wiederum mit einem schweren Krankheitsverlauf einhergeht. Bereits in den 1970iger Jahren wurde das Protein MYC als ein Onkoprotein identifiziert, aber wie es die Transkription seiner großen Bandbreite an Zielgenen, welche für Zellwachstum und -proliferation verantwortlich sind, reguliert, ist bisher noch nicht eindeutig geklärt. In dieser Arbeit wurde die zentrale Frage untersucht, wie MYC die Proteine beeinflusst, die mit der RNA-Polymerase II interagieren, um dadurch eine schnelle und produktive Transkription seiner Zielgene zu ermöglichen. Hierfür wurden mittels der Durchführung massenspektrometrischer Untersuchungen Proteine, die in der An- und Abwesenheit von MYC mit der RNA-Polymerase II interagieren, identifiziert, was eine MYC-bedingte Änderung einiger Elongationsfaktoren im Interaktom der RNA-Polymerase II aufzeigte. Des Weiteren wurden ebenfalls unter Zuhilfenahme massenspektrometrischer Analysen Proteine bestimmt, die mit MYC selbst interagieren. Hierdurch konnte die bisher unbeschriebene, direkte Interaktion zwischen MYC und SPT5, der großen Untereinheit des DRB-sensitivity inducing factors, aufgedeckt und näher analysiert werden. Es konnte gezeigt werden, dass MYC SPT5 zum Chromatin rekrutiert. Weiter konnte nachgewiesen werden, dass MYC mit der evolutionär konservierten NGN-Domäne von SPT5 interagiert, an welche auch SPT4, die zweite Untereinheit des DRB-sensitivity inducing factors, bindet. Dies resultiert in dem Modell, dass MYC mit SPT4 um die Bindestelle auf SPT5 konkurriert und durch dieses ersetzt werden kann. Die Nähere Untersuchung der Bindestelle von SPT5 auf MYC zeigte eine Binderegion im N-terminalen Bereich von MYC auf, der die MYC-Boxen 0, I und II miteinschließt. Um Proteine zu identifiziert, die selektiv mit dem N-terminalen Bereich von MYC interagieren, ... KW - Transkription KW - Myc KW - MYC KW - DSIF KW - Transcription KW - Cancer KW - RNA polymerase II Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-240358 ER -