Project

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Single molecule characterization of transcription factor binding at mouse cis-regulatory regions

Applicant Krebs Arnaud
Number 161493
Funding scheme Ambizione
Research institution
Friedrich Miescher Institute for Biomedical Research
Genome Biology Unit European Molecular Biology Institute EMBL
Institution of higher education Institution abroad - IACH
Main discipline Molecular Biology
Start/End 01.01.2016 - 31.12.2018
Approved amount 492'192.00
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Keywords (6)

transcription factor; transcription regulation; genomics; cis-regulatory regions; single molecule measurment; bioinformatics

Lay Summary (French)

Lead
Les facteurs de transcription sont les protéines qui contrôlent l’expression des gènes en se fixant aux éléments ADN régulateurs localises a proximité de ceux-ci. Actuellement, les moyens techniques utilisés pour mesurer leur fixation sur le génome reflètent le profil de fixation moyen d’un facteur dans une population de cellules. Le statut de fixation des facteurs de transcription dans des cellules individuelles n’est pour l’instant pas quantifiable. Ce projet a pour but de dépasser cette limite en développant une méthode permettant la mesure de la fixation de facteurs de transcription in vivo à la résolution de molécules d’ADN individuelles.
Lay summary

Les récents progrès dans les techniques séquençage de l’ADN ont permis au cours de la dernière décennie de réaliser une cartographie presque complète des régions du génome qui régulent l’expression des gènes.  Cependant, les mécanismes qui  permettent l’activation de ces régions du génome à un temps précis du développement d’un organisme sont mal compris.   Par exemple, la fixation coordonnée de facteurs de transcription est vue comme un évènement décisif dans l’activation d’un gène. Cependant, la résolution des techniques actuelles ne permet pas la mesure des interdépendances entre les facteurs de transcription pour se fixer sur le génome (coopérativité ou antagonisme).

Ce projet a pour but de développer une nouvelle méthodologie qui permet la mesure de la fixation des facteurs de transcription à la résolution de molécules d’ADN individuelles sur le génome entier. Dans un premier temps, cette technique sera utilisée pour déterminer les dépendances  qui existent dans le réseau de facteurs de transcription qui contrôlent la pluripotence des cellules souches embryonnaires. Dans un second temps, la dynamique de ce réseau lors de la différentiation des cellules souches en neurones sera étudiée. Les conclusions de ce projet contribueront à notre compréhension des mécanismes complexes utilisés par les facteurs de transcription pour réguler précisément l’expression des gènes lors de transitions cellulaires.   

Le projet relève de la recherche fondamentale. La compréhension fine de des mécanismes de régulation par les facteurs de transcription à des retombées potentielles sur des champs de recherche très variés. Par exemple la manipulation de l’expression des gènes par les facteurs de transcription est à la base de la génération de cellules souches induites utilisées pour les approches de régénération cellulaires.

Direct link to Lay Summary Last update: 17.09.2015

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Publications

Publication
Cis-regulatory landscapes of four cell types of the retina
Krebs Arnaud (2017), Cis-regulatory landscapes of four cell types of the retina, in Nucleic acids research, ePub.
Genome-wide Single-Molecule Footprinting Reveals High RNA Polymerase II Turnover at Paused Promoters
Krebs Arnaud (2017), Genome-wide Single-Molecule Footprinting Reveals High RNA Polymerase II Turnover at Paused Promoters, in Molecular Cell, 411.

Datasets

Sequencing data

Author Krebs, Arnaud
Publication date 23.06.2017
Persistent Identifier (PID) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/query/acc.cgi?acc=GSE77369
Repository GEO datasets


Scientific events

Active participation

Title Type of contribution Title of article or contribution Date Place Persons involved
EMBL From functional genomics to systems biology 2018 Talk given at a conference Understanding principles of transcription regulation at the resolution of single DNA molecules 10.11.2018 Heidelberg, Germany Krebs Arnaud;
EMBL Transcription meeting 2018 Talk given at a conference Parallel assessment of enhancer activity in distinct cell types of a complex mammalian tissue 25.08.2018 Heidelberg, Germany Krebs Arnaud;
Single cell genomics Poster Visualization of key steps of transcription initiation genome-wide and at single molecule resolution 14.09.2016 Hintxton, Great Britain and Northern Ireland Krebs Arnaud;
EMBL Transcription meeting 2016 Talk given at a conference Visualization of key steps of transcription initiation genome-wide and at single molecule resolution 27.08.2016 Heidelberg, Germany Krebs Arnaud;
EpiGeneSwiss meeting Talk given at a conference Visualization of key steps of transcription initiation genome-wide and at single molecule resolution 06.06.2016 Weggis, Switzerland Krebs Arnaud;


Abstract

Successful development of complex organisms relies on accurate execution of genetically encoded transcriptional programs. Binding of transcription factors (TFs) to cis-regulatory regions translates genetic information into appropriate gene expression patterns. A comprehensive picture of the location of genomic cis-regulatory regions has recently emerged, leading to the estimate that over 10% of mammalian genomes serves a regulatory function. Despite our increased knowledge on their location, our actual understanding of how cis- regulatory sequences are interpreted by binding of TFs remains limited. For instance, while it is assumed that for most cis-regulatory regions cooperative action of multiple TFs is a prerequisite for their activity, the relational logic underlying these complex binding events is largely unknown. Dissecting this regulatory logic of TF interactions is of high relevance towards understanding the transcriptional regulation and establishment of cell type-specific gene expression programs.Current approaches used to measure TF binding average signals from populations of cells and do not account for the dynamic nature of TF binding and potential dependencies between TFs. These composite and static pictures of TF binding mask the possible heterogeneity occurring at target binding sites. In turn this severely limits the interpretation of binding events since, for example, cooperative or antagonistic patterns appear identical with these methodologies. I propose to move beyond this boundary by measuring the genome-wide binding of TFs at the resolution of single DNA molecules using a novel footprinting strategy. The resulting datasets will enable me to identify binding dependencies between TFs in pluripotent mouse embryonic stem cells (ESCs) and during their commitment to a neuronal lineage. Identified TF interactions will be used to build a hierarchical relational network between TFs and subsequently monitor network dynamics across cellular states. Importantly, I will further experimentally test the functional relevance of the identified binding dependencies between TFs by measuring the effect of systematic perturbation of the sequence architecture of selected cis-regulatory regions and through genetic deletion of factors that act in trans. In addition, I will determine how TF binding patterns relate to the frequency of transcriptional initiation between individual cells using single molecule imaging. Together, the proposed work will identify relational TF binding networks and establish a new approach for functional understanding of cis-regulatory regions and trans acting factors.
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