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Bonus of Excellence - Transcription factor binding as a function of chromatin

English title Bonus of Excellence - Transcription factor binding as a function of chromatin
Applicant Schübeler Dirk
Number 176394
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Friedrich Miescher Institute for Biomedical Research
Institution of higher education Institute Friedrich Miescher - FMI
Main discipline Genetics
Start/End 01.08.2018 - 31.07.2021
Approved amount 892'580.00
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Keywords (4)

gene expression; transcription factor; chromatin; histone modification

Lay Summary (German)

Lead
Bindung von Transkriptionsfaktoren in Abhängigkeit von Chromatin
Lay summary

Welche Gene aktiv sind ist entscheidend für die korrekte Funktion jeder Zelle in unserem Körper. Dieser Vorgang der Genregulation ist vielfach gestört in Krankheiten. Ob und wie stark ein Gen abgelesen wird, hängt von Kontrollsequenzen ab. An diese binden bestimmte Proteine, sogenannte Transkriptionsfaktoren. Ob diese binden können bestimmt die DNA Sequenz, ist also primär genetisch definiert. Die DNA ist allerdings im Zellkern verpackt in Chromatin und durch diese Verpackung kann diese genetische Information jedoch maskiert werden. Der Einfluss dieser eigenetischen Komponente und ihre Abhängigkeit von der genetischen Komponente ist nur unzureichend verstanden. 

Ziel dieses Forschungsprojektes ist besser zu verstehen wie Transkriptionsfaktoren sich Zugang verschaffen zu einem in Chromatin verpackten Genom. Wir kombinieren die gezielte genetische Veränderung von Stammzellen der Maus mit einem von uns etablierten neuen Nachweis der Bindung von Transkriptionsversuchen. Unser Ziel ist es zu bestimmen welche Faktoren ihr Sequenzmotiv erkennt auch wenn es in Chromatin verpackt ist. Des weiteren wollen wir fragen ob Kombinationen an Motiven Bindung erleichtert, um Hierarchien in der Bindung zu verstehen. Diese Versuche werden kombiniert mit einer gezielten lokalen Veränderung der Verpackung durch kontrollierte Rekrutierung der darin involvierten Enzyme.

Die erhaltenen Ergebnisse werden unser Verständnis der Regulation von Genaktivität und der Funktion von Chromatin vertiefen. Dies ist nicht nur relevant für die Grundlagenforschung, sondern auch um die Auswirkungen von genetischer Veränderung oder Misregulation in Krankheit besser zu verstehen und um neue Ansätze zu finden zur gezielten Intervention.

 

Direct link to Lay Summary Last update: 26.06.2018

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
156963 Genetic and epigenetic regulation of mammalian CpG islands 01.01.2015 Project funding (Div. I-III)

Abstract

Multicellularity relies on cell type specific transcriptional patterns. Binding of DNA sequence specific transcription factors (TFs) to cis-regulatory regions such as promoters and enhancers is the major directing principle for this regulation. TF binding occurs in the context of chromatin, where nucleosomes and their modification states can limit DNA access. This restriction is thought to explain why most TFs only occupy a minor fraction of the many occurrences of their sequence motifs in the genomes of higher eukaryotes. Differential chromatin sensitivities can furthermore create cooperativity or hierarchies between TFs since sensitive factors might rely on “pioneer” factors to establish accessible DNA. Indeed several chromatin features correlate with active regulatory regions, including the absence of nucleosomes and presence of particular epigenetic modifications. However, despite the large number of studies that investigate TF binding, nucleosome positioning and epigenetic marks, the results remain largely correlative and do not educate on the in vivo effect of local chromatin state on the ability for TFs to bind their motifs. To move beyond correlation we will generate an experimental system to manipulate nucleosome positioning and epigenetic modifications in vivo combined with single molecule footprinting analysis to monitor in parallel nucleosome and TF occupancy. This reductionist approach in the cell will classify TFs according to their ability to bind their target motif as a function of nucleosome position and modification state. This will enable us to predict hierarchies between factors. The knowledge gained on our test loci will be validated using genetics and epigenetic editing of several endogenous sites to determine if similar sensitivities to chromatin state and hierarchies exist. Further, we will test the transcriptional output of defined TF motif combinations, as well as in varied chromatin environments, that we predict to vary in their ability to successfully bind and in turn mediate transcriptional activation. Through systematic variation of nucleosome positioning and epigenetic modifications this project will generate novel insight into the interaction between chromatin and TF occupancy as fundamental principles that govern genome function and specificity. Taken together, we will establish systematic profiling of TF sensitivity to chromatin to provide insight into the sensitivity of individual TFs to the presence of nucleosomes and epigenetic modifications in vivo. This bridges concepts of genetic and epigenetic regulation towards improved predictive models of transcriptional regulation.
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