Enhancer-responsiveness and -specificity of Core Promoters in gene transcription

Abstract

Differenzielle Genexpression ist entscheidend für die Entwicklung mehrzelliger Lebewesen wie Menschen und Tiere und muss daher streng kontrolliert werden. Gene werden beginnend von einer etwa 100 Basenpaare langen DNA Sequenz transkribiert. Diese Sequenz wird als Kernpromotor oder Core Promotor bezeichnet und umgibt den Transkriptionsstartpunkt (TSS), außerdem enthält sie die mindest-notwendigen DNA Sequenzelemente, welche für die Assemblierung des RNA-Polymerase II Komplexes nötig sind. Die zelltypspezifische Aktivierung der Transkription an den Core Promotoren ist jedoch von einer zweiten Klasse regulatorischer DNA Elemente im Genom, genannt transkriptionelle Enhancer, abhängig. Während meiner Doktorarbeit konzentrierte ich mich auf die Spezifität und das Ansprechverhalten von Core Promotoren in Bezug auf transkriptionelle Enhancer. Eine der offenen Fragen in der Transkriptionsforschung ist, ob Core Promotoren eine intrinsische Präferenz für bestimmte Enhancer besitzen. Um diese Frage zu beantworten, untersuchten wir Enhancerkandidaten auf deren Fähigkeit Core Promotoren zu aktivieren. Dabei testeten wir sowohl Core Promotoren, die sich an nicht-regulierten, konstitutiv exprimierten Genen, sogenannten Haushaltsgenen, befinden, als auch solche, die an entwicklungsspezifisch regulierten Genen liegen. Die zwei Core Promotor Typen weisen in Drosophila melanogaster unterschiedliche Präferenzen zu tausenden Enhancern auf. Enhancer, die Core Promotoren vom Haushaltstyp aktivieren, sind über mehrere Zelltypen hinweg aktiv, wohingegen Enhancer, welche entwicklungsspezifische Core Promotoren aktivieren, zelltypspezifische Aktivität aufweisen. Enhancer dieser zwei Klassen unterscheiden sich auch in ihrer Position innerhalb des Genoms, den Proteinen, die sie binden, und der Funktion ihrer Nachbargene. Core Promotoren weisen unterschiedliche Transkriptionslevel auf, Unterschiede, die bislang der weiten Bandbreite an Stärke der Enhancer zugeschrieben wurden. Über das intrinsische Ansprechverhalten von Core Promotoren auf bestimmte Enhancer ist bisher wenig bekannt. Wir verwendeten einzelne, definierte Enhancer, um dieses Ansprechverhalten von sämtlichen Core Promotor Kandidaten im Drosophila melanogaster Genom zu testen. Core Promotoren variieren stark im Enhancer-Ansprechverhalten, wobei wir Unterschiede von bis zu drei Größenordnungen feststellten. Die Unterschiede korrelieren mit bestimmten Sequenzeigenschaften und sind mit Genen verschiedener Funktionen assoziiert. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse meiner Doktorarbeit, dass Core Promotoren Präferenzen zu unterschiedlichen Enhancern aufweisen, was einen weiteren Mechanismus der Kommnunikation zwischen Enhancern und Core Promoter darstellt, und dass sich die tausenden Core Promotoren im Genom substantiell im Enhancer-Ansprechverhalten unterscheiden. Diese Erkenntnisse zeigen, dass Core Promotoren aktiv an der präzisen Regulation der Genexpression beteiligt sind, welche die Entwicklung höherer Organismen erst ermöglicht.Animal development is attributed to differential gene expression that is tightly regulated. Genes are transcribed from core promoters, sequences of around 100 base pairs (bp) surrounding the transcription start sites (TSSs) at which the RNA Polymerase II (Pol II) complex assembles. The cell-type specific transcriptional activities of core promoters are dependent on a second type of genomic regulatory element termed enhancers. During my PhD, I am interested in the specificity and responsiveness of core promoters towards enhancers. An open question in the study of transcription is whether core promoters display intrinsic preferences towards enhancers. To address this hypothesis, we tested genome-wide enhancer candidates for their ability to activate core promoters that represent the housekeeping or developmental transcription programs, respectively. In Drosophila melanogaster cell lines, the two core promoter types exhibit differential preferences towards thousands of enhancers. Housekeeping core promoters are activated by enhancers that are active across cell types, while developmental core promoters are activated by enhancers that are highly cell-type specific. These two enhancer classes also differ in their genomic location, the protein factors that they bind, and the function of the neighbouring genes. Different core promoters do not always support transcription at the same level, differences that have been mainly attributed to the wide range of enhancer strengths. Little is known about the intrinsic responsiveness of core promoters towards enhancers. We used single defined enhancers to test the enhancer-responsiveness of genome-wide core promoter candidates from Drosophila melanogaster. Core promoters vary widely in their enhancer-responsiveness, with differences up to three orders of magnitude. The differences correlate with sequence signatures and are associated with genes of different function. In summary, the results obtained during my PhD thesis project show that the preference of core promoters towards enhancers represent another mechanism of enhancer–core-promoter communication, and the thousands of core promoters in the genome vary substantially in their enhancer-responsiveness. These findings demonstrate that core promoters are actively involved in the precisely regulated gene expression that drives animal development