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Clostridium difficile is the most common cause of antibiotic-associated intestinal infections and a significant cause of morbidity and mortality. Infection with C. difficile requires disruption of the intestinal microbiota, most commonly by antibiotic usage. Therapeutic intervention largely relies on a small number of broad-spectrum antibiotics, which further exacerbate intestinal dysbiosis and leave the patient acutely sensitive to reinfection. Development of novel targeted therapeutic interventions will require a detailed knowledge of essential cellular processes, which represent attractive targets, and species-specific processes, such as bacterial sporulation. Our knowledge of the genetic basis of C. difficile infection has been hampered by a lack of genetic tools, although recent developments have made some headway in addressing this limitation. Here we describe the development of a method for rapidly generating large numbers of transposon mutants in clinically important strains of C. difficile. We validated our transposon mutagenesis approach in a model strain of C. difficile and then generated a comprehensive transposon library in the highly virulent epidemic strain R20291 (027/BI/NAP1) containing more than 70,000 unique mutants. Using transposon-directed insertion site sequencing (TraDIS), we have identified a core set of 404 essential genes, required for growth in vitro. We then applied this technique to the process of sporulation, an absolute requirement for C. difficile transmission and pathogenesis, identifying 798 genes that are likely to impact spore production. The data generated in this study will form a valuable resource for the community and inform future research on this important human pathogen.
Das Y-Box-bindende Protein 1 (YB-1) ist ein Vertreter der hochkonservierten Familie eukaryotischer Kälteschockproteine und ein DNA/RNA-bindendes Protein. In Abhängigkeit von seiner Lokalisation übernimmt es Aufgaben bei der DNA-Transkription oder mRNA-Translation. YB-1 ist ein potentielles Onkogen beim Multiplen Myelom (MM), dass in primären MM-Zellen exprimiert ist. Für die funktionellen Untersuchungen von YB-1 in der vorliegenden Arbeit wurden humane Myelomzelllinien (HMZL) verwendet, die als in vitro Modell dieser malignen B Zell-Erkrankung dienen. Aufgrund der potentiellen Expression von YB-1 im Zellkern und/oder Zytoplasma von HMZL, wurde zunächst die Lokalisation des Proteins bestimmt. Es konnte gezeigt werden, dass YB 1 in den HMZL ausschließlich im Zytoplasma lokalisiert ist. Eine Translokation von YB-1 in den Nukleus kann durch die Serin-Phosphorylierung (Aminosäure 102) in der Kälteschockdomäne induziert werden. Die analysierten Myelomzelllinien zeigen jedoch kein nukleäres YB 1 und keine S102-Phosphorylierung. Diese Ergebnisse stützen die These, dass die Regulation der mRNA-Translation im Zytoplasma die vorherrschende Funktion von YB-1 beim MM ist. YB-1 könnte über diesen Mechanismus seine anti-apoptotische Wirkung vermitteln und die MM-Zellen vor genotoxischem Stress schützen. Um YB-1-regulierte mRNAs zu identifizieren wurden YB 1-Immunpräzipitationen mit zwei HMZL, einer Maus-Plasmozytomzelllinie und einem primären Maus-Plasmazelltumor durchgeführt. Zu den YB-1-gebundenen mRNAs gehören Translationsfaktoren und ribosomale Proteine, die eine starke Beteiligung von YB-1 beim RNA-Metabolismus bestätigen. In der vorliegenden Arbeit wurden spezifisch zwei mRNA-Kandidaten untersucht, die für den malignen Phänotyp von MM-Zellen wichtig sein können: das translationell kontrollierte Tumorprotein TCTP und MYC. Sowohl TCTP als auch MYC wurden bereits in Zusammenhang mit der Proliferation und Apoptose-Resistenz von malignen Zellen beschrieben. Die immunhistochemische Untersuchung der Knochenmarkbiopsien von MM-Patienten ergab eine gute Ko-Expression von YB-1 und TCTP in intramedullären MM-Zellen, während MYC erst in extramedullärem MM-Tumormaterial verstärkt mit der hohen YB 1-Expression korreliert. Die funktionellen Analysen der Arbeit haben gezeigt, dass YB 1 für die Translation der TCTP- und MYC-mRNA essentiell ist. Es kontrolliert die Verteilung dieser mRNAs zwischen translationell aktiven und inaktiven messenger Ribonukleoprotein-Partikeln. Die shRNA-vermittelte Reduktion von YB-1 führte zur Hemmung der TCTP- und MYC-Translation in der Phase der Initiation. Um den Einfluss der Kandidaten auf das Überleben der HMZL zu untersuchen, wurden proteinspezifische Knockdown-Experimente durchgeführt. Beim shRNA-vermittelten TCTP-Knockdown konnten keine Auswirkungen auf die Proliferation oder Viabilität von MM-Zellen beobachtet werden. Im Gegensatz dazu ist MYC für das Überleben und Wachstum der HMZL ausschlaggebend, denn der MYC-Knockdown induzierte Apoptose. Wie beim YB 1-Knockdown war ein Anstieg der Caspase-Aktivität und der Zusammenbruch des mitochondrialen Membranpotentials in den HMZL nachweisbar. Da es beim MYC-Knockdown gleichzeitig zur einer Reduktion der YB 1-Protein- und mRNA-Expression kam, wurde der Einfluss von MYC auf die Transkription des YB-1-Gens untersucht. Mit Hilfe von embryonalen Mausfibroblasten, die ein induzierbares MYC als Transgen besitzen, konnte gezeigt werden, dass die Aktivierung von MYC mit einer Zunahme der YB-1-mRNA einher geht. YB-1 ist somit ein direktes Zielgen des Transkriptionsfaktors MYC. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit haben zum ersten Mal ein gegenseitiges regulatorisches Netzwerk aufgezeigt, in dem YB 1 transkriptionell durch MYC reguliert wird und YB-1 für die Translation der MYC-mRNA essentiell ist. Die Ko-Expression beider Proteine trägt zum Wachstum und Überleben von malignen Plasmazellen bei.
Myc coordinates transcription and translation to enhance transformation and suppress invasiveness
(2015)
c‐Myc is one of the major human proto‐oncogenes and is often associated with tumor aggression and poor clinical outcome. Paradoxically, Myc was also reported as a suppressor of cell motility, invasiveness, and metastasis. Among the direct targets of Myc are many components of the protein synthesis machinery whose induction results in an overall increase in protein synthesis that empowers tumor cell growth. At present, it is largely unknown whether beyond the global enhancement of protein synthesis, Myc activation results in translation modulation of specific genes. Here, we measured Myc‐induced global changes in gene expression at the transcription, translation, and protein levels and uncovered extensive transcript‐specific regulation of protein translation. Particularly, we detected a broad coordination between regulation of transcription and translation upon modulation of Myc activity and showed the connection of these responses to mTOR signaling to enhance oncogenic transformation and to the TGFβ pathway to modulate cell migration and invasiveness. Our results elucidate novel facets of Myc‐induced cellular responses and provide a more comprehensive view of the consequences of its activation in cancer cells.
Various types of cancer involve aberrant cell cycle regulation. Among the pathways responsible for tumor growth, the YAP oncogene, a key downstream effector of the Hippo pathway, is responsible for oncogenic processes including cell proliferation, and metastasis by controlling the expression of cell cycle genes. In turn, the MMB multiprotein complex (which is formed when B-MYB binds to the MuvB core) is a master regulator of mitotic gene expression, which has also been associated with cancer. Previously, our laboratory identified a novel crosstalk between the MMB-complex and YAP. By binding to enhancers of MMB target genes and promoting B-MYB binding to promoters, YAP and MMB co-regulate a set of mitotic and cytokinetic target genes which promote cell proliferation. This doctoral thesis addresses the mechanisms of YAP and MMB mediated transcription, and it characterizes the role of YAP regulated enhancers in transcription of cell cycle genes.
The results reported in this thesis indicate that expression of constitutively active, oncogenic YAP5SA leads to widespread changes in chromatin accessibility in untransformed human MCF10A cells. ATAC-seq identified that newly accessible and active regions include YAP-bound enhancers, while the MMB-bound promoters were found to be already accessible and remain open during YAP induction. By means of CRISPR-interference (CRISPRi) and chromatin immuniprecipitation (ChIP), we identified a role of YAP-bound enhancers in recruitment of CDK7 to MMB-regulated promoters and in RNA Pol II driven transcriptional initiation and elongation of G2/M genes. Moreover, by interfering with the YAP-B-MYB protein interaction, we can show that binding of YAP to B-MYB is also critical for the initiation of transcription at MMB-regulated genes. Unexpectedly, overexpression of YAP5SA also leads to less accessible chromatin regions or chromatin closing. Motif analysis revealed that the newly closed regions contain binding motifs for the p53 family of transcription factors. Interestingly, chromatin closing by YAP is linked to the reduced expression and loss of chromatin-binding of the p53 family member Np63. Furthermore, I demonstrate that downregulation of Np63 following expression of YAP is a key step in driving cellular migration.
Together, the findings of this thesis provide insights into the role of YAP in the chromatin changes that contribute to the oncogenic activities of YAP. The overexpression of YAP5SA not only leads to the opening of chromatin at YAP-bound enhancers which together with the MMB complex stimulate the expression of G2/M genes, but also promotes the closing of chromatin at ∆Np63 -bound regions in order to lead to cell migration.
MicroRNAs sind kleine, nicht kodierende RNA-Moleküle, die posttranskriptionell die Genexpression regulieren. Sie binden hierfür spezifisch an 3’-UTRs von messenger-RNAs und führen entweder direkt zu deren Abbau oder inhibieren deren Translation. Über die Mechanismen, die die Expression von microRNAs regulieren, ist jedoch noch wenig bekannt. Die Tatsache, dass sie als lange Vorläufermoleküle (pri-microRNAs) durch die RNA-Polymerase-II transkribiert werden, legt die Existenz eines Promotorbereiches nahe, der dem proteinkodierender Gene ähnelt. Mit Hilfe von microRNA-Arrays konnten wir im linksventrikulären Myokard mehrere bei Herzinsuffizienz deutlich verändert exprimierte microRNAs identifizieren. Die microRNA-21 ist dabei bereits im Frühstadium der Herzinsuffizienz verstärkt exprimiert (Northern Blot). Auch in primären, kardialen Zellen (Fibroblasten, Kardiomyozyten) wird die microRNA-21 nach Induktion einer Hypertrophie verstärkt exprimiert. Weiterführendes Ziel dieser Arbeit war es nun, diejenigen Mechanismen aufzuklären, die der starken Induktion der microRNA-21 im erkrankten Myokard zu Grunde liegen. Durch bioinformatische Analyse des zugehörigen Promotorbereiches (Trans-Spezies-Konservierung) und Klonierung danach ausgerichteter Fragmente in Luciferase-basierte Reporter-Plasmide konnte ein 118 Basen langer Bereich identifiziert werden, der maßgeblich die Expression der microRNA-21 im Herzen bedingt. Durch Deaktivierung einzelner cis-Elemente konnte die kardiale Expression auf zwei essentielle Transkriptionsfaktorbindungsstellen zurückgeführt werden. Es handelt sich dabei um Erkennungssequenzen für die im Herz bedeutsamen Transkriptionsfaktoren CREB und SRF. Sie liegen in enger räumlicher Nachbarschaft ungefähr 1150 bp vor der Transkriptionsstartstelle. Die Suppression der Expression dieser beiden Transkriptionsfaktoren mittels geeigneter siRNAs führte jeweils zu einer signifikanten Aktivitätsminderung des microRNA-21-Promotors und konnte somit die vorangehenden Ergebnisse validieren. Durch Generierung einer transgenen Tierlinie, die lacZ unter der Kontrolle des microRNA-21-Promotors exprimiert, werden in naher Zukunft nähere Aufschlüsse über die gewebsspezifische Verteilung der microRNA-21-Expresssion in vivo möglich sein. Zusammenfassend beschreiben wir hier erstmals den Mechanismus der transkriptionellen Regulation der microRNA-21 im Herzen. Dieser Mechanismus bedingt wahrscheinlich die starke Induktion dieser microRNA bei kardialer Hypertrophie und Herzinsuffizienz.
The ultrastructure of twO kinds of transcription ally active chromatin, the lampbrush chromosome loops and the nucleoli from amphibian oocytes and primary nuclei of the green alga Acetabularia, has been examined after manual isolation and dispersion in low salt media of slightly alkaline pH using various electron microscopic staining techniques (positive staining, metal shadowing, negative staining, preparation on positively charged films, etc.) and compared with the appearance of chromatin from various somatic cells (hen erythrocytes, rat hepatocytes, ClIltured murine sarcoma cells) prepared in parallel. While typical nucleosomes were revealed with all the techniques for chromatin from the latter three cell system, no nucleosomes were identified in either the lampbrush chromosome structures or the nucleolar chromatin. Nucleosomal arrays were absent not only in maximally fibril-covered matrix units but also in fibril-free regions between transcriptional complexes, including the apparent spacer intercepts between different transcriptional units. Moreover, comparisons of the length of the repeating units of rDNA in the transcribed state with those determined in the isolated rDNA and with the lengths of the first stable product of rDNA transcription, the pre-rRNA, demonstrated that the transcribed rDNA was not significantly shortened and/or condensed but rather extended in the transcriptional units. Distinct granules of about nucleosomal size which were sometimes found in apparent spacer regions as well as within matrix units of reduced fibril density were shown not to represent nucleosomes since their number per spacer unit was not inversely correlated with the length of the specific unit and also on the basis of their resistance to treatment with the detergent Sarkosyl NL-30. It is possible to structurally distinguish between transcriptionally active chromatin in which the DNA is extended in a non-nucleosomal form of chromatin and condensed, inactive chromatin within the typical nucleosomal package. The characteristic extended structure of transcriptionally active chromatin is found not only in the transcribed genes but also in non-transcribed regions within or between ("spacer") transcriptional units as well as in transcriptional units that are untranscribed amidst transcribed ones and/or have been inactivated for relatively short time. It is hypothesized that activation of transcription involves a transition from a nucleosomal to an extended chromatin organisation and that this structural transition is not specific for single "activated" genes but may involve larger chromatin regions, including adjacent untranscribed intercepts.
DOT1A-dependent H3K76 methylation is required for replication regulation in Trypanosoma brucei
(2012)
Cell-cycle progression requires careful regulation to ensure accurate propagation of genetic material to the daughter cells. Although many cell-cycle regulators are evolutionarily conserved in the protozoan parasite Trypanosoma brucei, novel regulatory mechanisms seem to have evolved. Here, we analyse the function of the histone methyltransferase DOT1A during cell-cycle progression. Over-expression of DOT1A generates a population of cells with aneuploid nuclei as well as enucleated cells. Detailed analysis shows that DOT1A over-expression causes continuous replication of the nuclear DNA. In contrast, depletion of DOT1A by RNAi abolishes replication but does not prevent karyokinesis. As histone H3K76 methylation has never been associated with replication control in eukaryotes before, we have discovered a novel function of DOT1 enzymes, which might not be unique to trypanosomes.
Quantitation of Glucocorticoid Receptor DNA-Binding Dynamics by Single-Molecule Microscopy and FRAP
(2014)
Recent advances in live cell imaging have provided a wealth of data on the dynamics of transcription factors. However, a consistent quantitative description of these dynamics, explaining how transcription factors find their target sequences in the vast amount of DNA inside the nucleus, is still lacking. In the present study, we have combined two quantitative imaging methods, single-molecule microscopy and fluorescence recovery after photobleaching, to determine the mobility pattern of the glucocorticoid receptor (GR) and the mineralocorticoid receptor (MR), two ligand-activated transcription factors. For dexamethasone-activated GR, both techniques showed that approximately half of the population is freely diffusing, while the remaining population is bound to DNA. Of this DNA-bound population about half the GRs appeared to be bound for short periods of time (similar to 0.7 s) and the other half for longer time periods (similar to 2.3 s). A similar pattern of mobility was seen for the MR activated by aldosterone. Inactive receptors (mutant or antagonist-bound receptors) show a decreased DNA binding frequency and duration, but also a higher mobility for the diffusing population. Likely, very brief (<= 1 ms) interactions with DNA induced by the agonists underlie this difference in diffusion behavior. Surprisingly, different agonists also induce different mobilities of both receptors, presumably due to differences in ligand-induced conformational changes and receptor complex formation. In summary, our data provide a consistent quantitative model of the dynamics of GR and MR, indicating three types of interactions with DNA, which fit into a model in which frequent low-affinity DNA binding facilitates the search for high-affinity target sequences.
A Review of the Multipronged Attack of Herpes Simplex Virus 1 on the Host Transcriptional Machinery
(2021)
During lytic infection, herpes simplex virus (HSV) 1 induces a rapid shutoff of host RNA synthesis while redirecting transcriptional machinery to viral genes. In addition to being a major human pathogen, there is burgeoning clinical interest in HSV as a vector in gene delivery and oncolytic therapies, necessitating research into transcriptional control. This review summarizes the array of impacts that HSV has on RNA Polymerase (Pol) II, which transcribes all mRNA in infected cells. We discuss alterations in Pol II holoenzymes, post-translational modifications, and how viral proteins regulate specific activities such as promoter-proximal pausing, splicing, histone repositioning, and termination with respect to host genes. Recent technological innovations that have reshaped our understanding of previous observations are summarized in detail, along with specific research directions and technical considerations for future studies.
LARP7 – ein La ähnliches Protein reguliert die Elongation der PolII Transkription durch das 7SK RNP
(2009)
Genexpression in Eukaryoten beschreibt einen mehrstufigen Prozess, welcher auf Ebene der Transkription durch den positiven Transkriptionselongationsfaktor P-TEFb entscheidend reguliert wird. PTEFb bildet einen heterodimeren Komplex aus der Cyclin abhängigen Kinase 9 und deren Kofaktor Cyclin T1/2. Dieser Komplex aktiviert die Elongation der Transkription durch Phosphorylierung der negativen Elongationsfaktoren DSIF und NELF. Darüber hinaus phosphoryliert PTEFb Serin2 Reste in der C-terminalen Domäne von RNA PolII und stimuliert so die kotranskriptionelle Prozessierung der synthetisierten prä-mRNA. In Anpassung an unterschiedliche Wachstumsbedingungen wird die Aktivität dieses Faktors durch reversible Interaktion mit 7SK RNA und HEXIM Proteinen innerhalb eines katalytisch inaktiven Ribonukleoproteinpartikels (7SK RNP) streng kontrolliert. Dieses sensible Gleichgewicht zwischen P-TEFb auf der einen und dem 7SK RNP auf der anderen Seite bildet die Grundlage der Regulation der Transkriptionselongation. Trotz der hohen Abundanz von 7SK RNA in der Zelle, assoziiert in vivo jedoch nur ein relativ kleiner Teil hiervon mit P-TEFb, sodass die effektiv zur Verfügung stehende RNA-Menge für die Bildung des 7SK RNP vermutlich limitierend wirkt. Ziel der vorliegenden Arbeit war es daher neue 7SK RNA interagierende Faktoren zu identifizieren, welche die Interaktion von PTEFb mit dem 7SK RNP steuern und so die PolII abhängige Transkription regulieren. Anhand verschiedener chromatographischer Reinigungen konnte zunächst ein bislang uncharakterisiertes La ähnliches Protein (LARP7) mit einer spezifischen Affinität für Pyrimidinreiche RNAs isoliert werden. LARP7 bindet, wie durch immunbiochemische Analysen und RNA- Bindungsstudien gezeigt werden konnte, quantitativ an das hoch konservierte uridylreiche 3´- Ende von 7SK RNA. Diese Assoziation erfordert dessen La- und RRMDomänen und erhöht wesentlich die Stabilität der RNA. Darüber hinaus kofraktioniert LARP7 mit weiteren Faktoren des 7SK RNP, bindet direkt an HEXIM1 und P-TEFb und stellt somit ebenfalls eine integrale Komponente des 7SK RNP dar. Die gewonnenen Daten weisen außerdem erstmals darauf hin, dass P-TEFb durch einen vorgeformten trimeren Komplexes, bestehend aus HEXIM1, 7SK RNA und LARP7 inhibiert wird. Reportergenanalysen in TZMbl-Zellen, welche Luziferase unter der Kontrolle des streng P-TEFb abhängigen HIV-1-LTRPromotors exprimieren zeigten, dass diese Inhibition im Wesentlichen durch LARP7 vermittelt wird. So ließ sich nach Reduktion der LARP7 Expression mittels RNAi eine signifikante Steigerung der Transkription vom HIV-1-LTR-Promotor beobachten. Eine ähnliche Stimulation der Transkription von PolII konnte in LARP7 defizienten HeLa-Zellen durch quantitative Real-Time-PCR auch für eine Reihe zellulärer Gene nachgewiesen werden. Die Beobachtung, dass LARP7 die generelle PolII Transkription reprimiert, korreliert zudem mit einer bereits beschriebenen Tumorsupressorfunktion des LARP7 homologen mxc Proteins aus D. melanogaster. Somit beeinflusst LARP7 das zelluläre Gleichgewicht zwischen freiem und 7SK RNP-gebundenem P-TEFb und fungiert somit als negativer Regulator der PolII Transkription in vivo.