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Authors: Baumgärtner, Stephan
Title: Experimental and theoretical investigation of estrogen dependent transcription in single cells
Online publication date: 23-May-2017
Language: english
Abstract: Heterogeneous gene expression responses to external cues are essential for cellular decision making and environmental adaptation. Heterogeneity arises at each gene from random switching between transcriptionally active and inactive intervals, causing transcriptional bursting. Furthermore, the internal state of the cell influences gene expression leading to cell-to-cell variability in transcript copy numbers. We investigated how external stimuli interplay with the cellular state to modulate the kinetics of bursting. 
To this end, we use reporter cell lines carrying multimerised PP7 RNA stem loops into the genome of estrogen sensitive MCF-7 breast cancer cells allowing to image transcription in single cells over time and under various experimental conditions. Utilizing a likelihood free bayesian algorithm we fitted stochastic models of varying complexity to transcription time course data. We found that small models stochastically switching between active and inactive states of transcription are sufficient to explain our experimental data. Moreover, the estrogen stimulus modulates the frequency of transcriptional bursting. Our model fitting indicated that the cellular state globally affects transcriptional dynamics by altering initiation and elongation kinetics. 
Taken together, we propose a quantitative framework to characterize intrinsic and extrinsic variability of stimulus dependent gene transcription in single cells.
Heterogene Genexpression als Reaktion auf externe Stimuli ist essentiell zur zellulären Entscheidungsfindung und zur Anpassung an neue Umweltbedingungen. Heterogenität entsteht für jedes Gen durch zufälliges Schalten zwischen transkriptionall aktiven und inaktiven Zuständen und führt zu Transkriptionsausbrüchen (Bursts). Zusätzlich beeinflusst der interne Zustand einer Zelle das Expressionsniveau und führt zu Zell-zu-Zellvariabilität in der Anzahl der Transkripte. Diese Arbeit untersucht, wie externe Stimuli mit dem internen Zustand der Zelle wechselwirken um die transkriptionelle Kinetik zu modulieren. 
Ein fluoreszenter PP7 RNA Reporter, integriert in das Genom von oestrogensensitiven MCF-7 Brustkrebszellen. erlaubt eine zeitaufgelöste Beobachtung der transkriptionellen Aktivitaet in einzelnen Zellen unter verschiedenen experimentellen Bedingungen. Mittels eines likelihoodfreien Bayes’schen Algorithmus wurden stochastische Modelle unterschiedlicher Komplexität an Zeitreihenmessungen angepasst. Wir fanden, dass einfache Modelle, die stochastisch zwischen wenigen aktiven und inaktiven Zuständen schalten, die experimentellen Daten erklären können und dass das Transkriptionslevel über den Oestrogenstimulus durch eine Frequenzmodulation der transkriptionellen Bursts kontrolliert wird. Darüber hinaus zeigt das Modellfitten, dass der zelluläre Zustand die transkriptionelle Dynamik global beeinflusst durch heterogene Transkriptionsinitiation und Elongation. 
Dieser quantitative und interdisziplinäre Ansatz erlaubt es in dieser Arbeit einen quantitativen Rahmen vorzuschlagen, um die intrinsische und extrinsische Heterogenität von stimulusinduzierter Gentranskription in einzelnen Zellen zu beschreiben.
DDC: 530 Physik
530 Physics
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: Externe Einrichtungen
Place: Mainz
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-842
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: in Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent: ix, 142 Seiten
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