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Enhancer cooperativity in gene regulation over large genomic distances
Songjie Feng
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Zentrum für Molekulare Biologie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doctor of Philosophy-Doktoratsstudium Molecular Biosciences Molekulare Biologie
Betreuer*in
Christa Bücker
DOI
10.25365/thesis.80548
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-20806.34848.506554-6
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Enhancer sind eine Klasse von DNA-Sequenzen, die die Genexpression in räumlich-zeitlicher Weise regulieren. Jüngste Studien zeigen, dass die Anzahl der Enhancer im Genom die Zahl der Gene deutlich übersteigt. In vielen Genomregionen sind Enhancer zu Clustern angeordnet, die gemeinsam die Expression ihrer Zielgene steuern. Dennoch sind die Mechanismen, durch die einzelne Enhancer innerhalb solcher Cluster kooperieren, um die Genexpression zu modulieren, bislang nur unzureichend verstanden. Die Manipulation von Enhancern in ihrem nativen genomischen Kontext ist arbeitsintensiv und eignet sich für High-Throughput-Studien kaum. Insbesondere für cis-Elemente mit schwacher Enhancer-Aktivität reichen herkömmliche Loss-of-Function-Ansätze oft nicht aus, um ihre Funktion in endogenen Regionen vollständig zu erfassen. In dieser Dissertation habe ich eine Zelllinie mit einem synthetischen Lokus etabliert, der die effiziente Integration von Enhancer-Sequenzen in drei definierten Abständen zu einem fluoreszenten Reportergens ermöglicht. Auf diese Weise lassen sich regulatorische Landschaften systematisch von Grund auf rekonstruieren. Mit diesem System habe ich mehrere Enhancer einzeln in definierten Abständen zu demselben Promotor integriert. Dabei zeigte sich, dass alle getesteten Enhancer mit zunehmender Distanz zum Promotor eine verringerte Aktivierungskapazität aufwiesen, wobei das Ausmaß dieses Effekts je nach intrinsischer Stärke der Enhancer variierte. Um tiefere Einblicke in die Kooperativität von Enhancern bei der Genregulation zu gewinnen, wurden Enhancer-Paare in den synthetischen Lokus integriert, wobei jeder Enhancer in einem definierten Abstand zum Promotor positioniert war. Die Ergebnisse zeigen, dass die Kombination von schwachen und starken Enhancern zu einer deutlich erhöhten Expression führte, wenn der schwache Enhancer zwischen dem starken Enhancer und dem Promotor lag. Dies weist darauf hin, dass Enhancer-Synergie sowohl von der intrinsischen Aktivität als auch von der relativen genomischen Positionierung abhängt. CTCF-Bindestellen und andere strukturelle Elemente sind dafür bekannt, Enhancer–Promotor-Interaktionen zu modulieren. Um ihren Beitrag zur Enhancer-Kooperativität in unserem synthetischen System zu untersuchen, habe ich zwei CTCF-assoziierte Regionen in mehreren Zelllinien mit synergistischen Enhancer-Paaren entfernt. Die Deletion dieser CTCF-Regionen führte zu einem weiteren Anstieg der Reportergenexpression, was darauf hinweist, dass Enhancer-Synergie durch CTCF-Bindestellen beeinflusst wird. Zusammenfassend zeigen diese Ergebnisse, dass die Transkription eines Gens nicht durch einen einzelnen Faktor bestimmt wird, sondern aus dem Zusammenspiel von Enhancer-Kooperativität und strukturellen Elementen hervorgeht.
Abstract
(Englisch)
Enhancers are a class of DNA sequences that regulate gene transcription in a spatial-temporal manner. Recent studies show that enhancer numbers exceed genes numbers in the genome. In many genomic regions, enhancers are clustered to regulate the expression of target genes. Nevertheless, the mechanisms by which individual enhancer cooperates within such clusters to modulate gene expression are still not well understood. Manipulating enhancers in their native genomic context is labor-intensive and not well suited for high-throughput studies. In particular, for cis-regulatory elements with weak enhancer activity, conventional loss-of-function approaches are often insufficient to fully capture their function within endogenous regions. In this thesis, I generated a cell line with a synthetic locus that enables efficient integration of enhancer sequences at three defined distances upstream of a fluorescent reporter gene, thereby allowing systematic reconstruction of regulatory landscapes from the bottom up. With this platform, I inserted multiple enhancers individually at defined distances relative to the same promoter. I found that all tested enhancers exhibited reduced promoter-activating capacity when the enhancer–promoter distance increased. However, the magnitude of this effect varied among enhancers and depended on their intrinsic enhancer strength. To gain deeper insight into enhancer cooperativity in gene regulation, I introduced enhancer pairs into the synthetic locus, with each enhancer placed at a defined distance relative to the promoter. The results show that when weak and strong enhancers were combined, expression levels were markedly elevated if the weak enhancer was positioned between the strong enhancer and the promoter, indicating that enhancer synergy depends both on intrinsic enhancer strength and on relative genomic positioning. CTCF-binding sites and other structural elements are known to modulate enhancer–promoter interactions. To evaluate their contribution to enhancer cooperativity in our synthetic system, I removed two CTCF-associated regions in multiple cell lines harboring synergistic enhancer pairs. Deletion of the CTCF regions led to a further increase in reporter gene expression. This indicates that enhancer synergy is affected by CTCF sites. Taken together, these findings summarized in this thesis highlight that transcriptional output is not governed by a single factor but rather emerges from the interplay between enhancer cooperativity and structural elements.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Enhancer-Promoter-Interaktion Gentranskription nhancer-Kooperativität
Schlagwörter
(Englisch)
enhancer-promoter interaction gene transcription enhancer cooperativity
Autor*innen
Songjie Feng 
Haupttitel (Englisch)
Enhancer cooperativity in gene regulation over large genomic distances
Publikationsjahr
2025
Umfangsangabe
151 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Thomas Decker ,
Daniel Murad Ibrahim
Klassifikation
42 Biologie > 42.13 Molekularbiologie
AC Nummer
AC17793497
Utheses ID
78864
Studienkennzahl
UA | 794 | 620 | 490 |