Authors:	Sahu, Sanjeeb Kumar
Title:	Deciphering gene regulatory circuitry governing cell fate changes
Online publication date:	19-Jan-2018
Language:	english
Abstract:	During development, cellular differentiation is tightly controlled via integrating several regulatory layers such as signaling pathways as well as transcriptional and epigenetic mechanisms to guarantee precise spatio-temporal gene expression programs. In order to understand the gene regulatory circuitry governing cell fate changes, in this thesis I employed two established model systems that display defined cascades of phenotypic remodeling, i.e. Neurogenesis and Epithelial to Mesenchymal Transition (EMT). During brain development, the process of neurogenesis comprises a highly defined set of cell fate decisions that involves the transition of proliferative and multipotent neuroepithelial cells towards terminally differentiated post-mitotic neurons. A combinatorial analysis of genome-wide datasets during this process profiling the transcriptome, chromatin accessibility and the epigenome profiles, including H3K27ac, the mark for active enhancers and promoters, reveals the importance and highly dynamic nature of distal gene regulation during neurogenesis. We further show that terminally differentiated neurons also undergo remodeling of the distal regulatory landscape to ensure proper transcriptional output upon exposure to stimuli that induce neuronal activity. Interestingly, further such epigenetic and transcriptional response during neuronal activation conferring a transient loss of neuronal identity, gain of cellular plasticity and induction of pro-survival genes. Within another project we functionally characterized the radial glia cell specific transcription factor Tox3, and unravel its essential function during development of neocortex as it directly binds to the promoter of Nestin thereby ensuring its timely induction during embryonic neurogenesis. The differentiation of static epithelial cells into motile mesenchymal cells, a process known as EMT, is integral in development and wound healing and it contributes pathologically to fibrosis and cancer progression. While studying this process, we uncovered a kinetically distinct role of the JNK signaling, which is not required for initiation, but progression of EMT. Furthermore, we identified FBXO32 as a key regulator of EMT that functions via ubiquitination of transcriptional corepressor protein CTBP1 to modulate its cellular localization. Such tight regulation of CtBP1 levels during EMT is required as epigenetic remodeling and transcriptional induction of CTBP1 target genes create a suitable microenvironment for EMT progression. We further identified the C2H2-zinc finger containing protein ZNF827, to be a critical player during EMT that modulates alternative splicing of numerous genes during EMT. ZNF827 mediates such stage specific transcript diversity by directly targeting these genomic loci, modulating their epigenetic landscape to alter RNA Pol II kinetics and also facilitates the recruitment of core splicing components to nascent RNA. Overall, this thesis delineates diverse gene regulatory mechanisms which cells utilize to orchestrate cell fate changes during development and disease. Deutsche Zusammenfassung Zelluläre Spezifizierungen während der Embryonalentwicklung bedürfen engmaschiger Kontrolle in welcher eine Vielzahl regulatorischer Ebenen integriert werden müssen. Eine derartige Kontrolle involviert eine spezifische Integration von äußeren Einflüssen auf die jeweilige Zelle im Kontext des sich entwickelnden Organismus auf der Ebene von Signalwegen sowie transkriptioneller und epigenetischer Regulation, um einen präzises raum-zeitliches Expressionsprogram zu gewährleisten. Zur Erlangung eines umfassenderen Verständnisses der genregulatorischen Netzwerke, die derartige Zellschicksalspezifikationen gewährleisten, habe ich mich in dieser Arbeit zwei etablierten Modelsysteme bedient, die jeweils definierte Kaskaden phänotypischer Spezifikationen durchlaufen: Neurogenes und Epitheliale Mesenchymale Transistion (EMT). Während der Gehirnentwicklung durchlaufen Zellen in der Neurogenese eine hochspezifische, fein-regulierte Abfolge von Zellschicksalsentscheidungen die den Übergang von proliferierenden und multipotenten neuroepithelialen Zellen zu terminal differenzierten postmitotischen Neuronen beinhaltet. Durch eine kombinatorische Analyse genomweiter Datensätze während dieses Prozesses, die die Profilierung des Transkriptoms, der Genom-Zugänglichkeit und epigenetischer Profile (H3K27ac als Markierung für aktive Enhancer und Promotoren) beinhaltete, konnten wir die Wichtigkeit und hohe Dynamik distaler, regulatorischer Elemente während der Neurogenese belegen. Weiterhin zeigen wir das auch terminal differenzierte Nervenzellen noch eine Modulation ihrer regulatorischen Regionen aufweisen, um beispielsweise eine präzise transkriptionelle Antwort auf Stimulation der neuronalen Aktivität zu gewährleisten. Interessanterweise vermittelt eine derartige epigenetische und transkriptionelle Antwort während neuronaler Aktivierung einen transienten Verlust der neuronalen Identität, eine erhöhte zelluläre Plastizität sowie Induktion von überlebens-fördernden Genen. In einem weiteren Projekt charakterisierten wir den für radiale Gliazellen spezifischen Trankriptionsfaktor Tox3 und belegten eine essentielle Funktion dieses Faktors während der Entwicklung des Neocortex, da dieser Faktor direkt an den Promoter von Nestin bindet und daher dessen zeitgenaue Induktion während der embryonalen Neurogenese gewährleistet. Die Differenzierung von epithelialen Zellen zu beweglichen mesenchymalen Zellen involviert einen Prozess, der als EMT bekannt ist und während der embryonalen Entwicklung und der Wundheilung abläuft sowie zu pathologischen Erscheinungen wie Fibrose und Krebsmetastasierung beiträgt. Während der Untersuchung dieses Prozesses haben wir die Kinetik des JNK Signalweges detailliert aufschlüsseln können, welcher nicht essentiell ist für die Initiierung aber das Fortschreiten von EMT. Außerdem haben wir FBXO32 als entscheidenden Regulator von EMT identifiziert, ein Faktor, der den transkriptionellen Ko-Repressor CTBP1 ubiquitiniert und dadurch seine zelluläre Lokalisierung verändert. Eine derart gezielte Regulation der CtBP1 Leveln ist notwendig für EMT, da epigenetische Modulationen und die transkriptionelle Induktion von CTBP1 Zielgenen eine Mikroumgebung etablieren, die für das Fortschreiten des EMT förderlich ist. Weiterhin haben wir das C2H2-Zinkfinger Protein ZNF827 untersucht und herausgefunden, dass es eine essentielle Rolle als Regulator des alternativen Spleißens zahlreicher Gene während EMT einnimmt. ZNF827 vermittelt derartige zelltypspezifische Transkriptdiversität über direkte Bindung an die jeweiligen genomischen Loci und Modulation ihrer epigenetischen Umgebung, um die RNA Pol II Kinetiken entsprechen anzupassen und die Rekrutierung von Spleiß-Komponenten zu erleichtern. Insgesamt legt diese Arbeit diverse genregulatorische Mechanismen dar, welche von Zellen herangezogen werden um Zellschicksalsveränderungen während der embryonalen Entwicklung sowie progredienten Krankheitsverläufen zu koordinieren.
DDC:	570 Biowissenschaften 570 Life sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	Externe Einrichtungen
Place:	Mainz
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-4125
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	in Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	xii, 308 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen