Determining the significance of an evolution mechanism of redundant enhancers and identifying key enhancers in two different biological contexts
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Abstract
Enhancers are a central component of transcriptional regulatory networks, yet many aspects about them are still not well understood. In this thesis, general enhancer research was conducted from two different perspectives. Firstly, the evolutionary mechanisms of redundant enhancers were investigated in a genome-wide approach. Enhancers can evolve from transposable elements, a process known as exaptation or co-option. If two or more enhancers of the same gene can independently induce its transcription in a given cell type, these enhancers are considered redundant. To address the research question whether or not transposon exaptation is a widespread means of redundant enhancer evolution, a set of redundant enhancers was constructed for the human genome and properties that distinguish redundant enhancers from non-redundant enhancers were identified. It was then shown that independent transposon exaptation events are a common origination mechanism of redundant enhancers. These observations could also be confirmed in the mouse genome. In addition, evidence was found that for homologous genes in human and mouse with redundant enhancers in both species the redundant enhancers exert important functions, but are not homologous. Secondly, putative key genes, enhancers and their potential regulatory transcription factors were identified in order to help elucidate pressing questions in two different biological contexts. The first context was chronic lymphocytic leukemia and its treatment. Chronic lymphocytic leukemia is frequently treated with the kinase inhibitor ibrutinib, but drug resistance and off-target toxicity remain to be overcome. Therefore, existing therapies need to be improved and new ones developed. In this thesis, potential key enhancers and transcription factors were identified through genome-wide analysis of histone H3K27 acetylation by ChIP-seq to help understand the genomic and epigenetic reactions of the cells to ibrutinib. Treatment-induced changes were observed in putative enhancers and genes related to T-cell identity, confirming previous results, and the transcription factor ETS-distal was identified as a potential regulator. The second biological context that was addressed was the activation of macrophages. Macrophages are immune cells that integrate a multitude of pro- and anti-inflammatory signals and the immune response they trigger is tailored to these stimuli. Thus far it has not been clear what changes the combination of lipopolysaccharide, a component of bacterial cell walls, and apoptotic cells introduce in the macrophage regarding enhancer and gene activity. Through the genome-wide analysis of histone H3K27 acetylation with ChIP-seq, enhancers and genes related to sterol synthesis and leukocyte cell adhesion and the transcription factor Fosl2 were identified as potential key factors. The results of this thesis help to gain a more comprehensive understanding of enhancers and transcriptional regulatory networks in general and in the context of specific biological contexts.
Abstract
Enhancer sind ein zentraler Bestandteil von Transkriptionsregulationsnetzwerken, doch viele Aspekte über sie sind noch nicht gut verstanden. In dieser Arbeit wurde allgemeine Forschung über Enhancer aus zwei verschiedenen Perspektiven durchgeführt. Zunächst wurden die Evolutionsmechanismen redundanter Enhancer in einem genomweiten Ansatz untersucht. Enhancer können sich aus transponierbaren Elementen entwickeln, einem Prozess, der als Exaptation oder Co-Option bezeichnet wird. Wenn zwei oder mehr Enhancer desselben Gens unabhängig voneinander seine Transkription in demselben Zelltyp induzieren können, werden diese Enhancer als redundant angesehen. Um die Forschungsfrage zu beantworten, ob redundante Enhancer häufig durch Transposon-Exaptation entstehen oder nicht, wurde eine Datensatz redundanter Enhancer für das menschliche Genom konstruiert und Eigenschaften identifiziert, die redundante Enhancer von nicht redundanten Enhancern unterscheiden. Es wurde dann gezeigt, dass unabhängige Ereignisse von Transposon- Exaptation häufig die Grundlage für die Entstehung redundanter Enhancer sind. Diese Beobachtungen konnten auch im Mausgenom bestätigt werden. Darüber hinaus wurden Ergebnisse präsentiert, die darauf hindeuten, dass bei Genen, die homolog sind zwischen Mensch und Maus und in beiden Spezies über redundante Enhancer verfügen, die redundanten Enhancer essentielle Funktionen ausüben, dabei aber nicht homolog sind. Zweitens wurden mutmaßliche Schlüsselgene, Enhancer und ihre potenziellen regulatorischen Transkriptionsfaktoren identifiziert, um dringende Fragen in zwei verschiedenen biologischen Kontexten zu klären. Chronische lymphatische Leukämie und ihre Behandlung stellte den ersten Kontext dar. Sie wird häufig mit dem Kinasehemmer Ibrutinib behandelt, aber auch bei dieser Therapie stellen Arzneimittelresistenz und andere Nebenwirkungen noch ein Problem dar. Die bestehenden Therapien müssen daher weiter verbessert und neue Therapieansätze müssen entwickelt werden. In dieser Arbeit wurden potenzielle Schlüsselenhancer und Transkriptionsfaktoren durch genomweite Analyse der Histon-H3K27-Acetylierung mittels ChIP-seq identifiziert, um die genomischen und epigenetischen Reaktionen der Zellen auf Ibrutinib zu verstehen. Therapiebedingte Veränderungen wurden bei putativen Enhancern und Genen beobachtet, die im Zusammenhang mit der Erkennung von T-Zellen stehen. Diese Ergebnisse bestätigen frühere Untersuchungen. Darüber hinaus wurde der Transkriptionsfaktor ETS-distal als potenzieller Regulator identifiziert. Der zweite biologische Kontext, der untersucht wurde, war die Aktivierung von Makrophagen. Makrophagen sind Immunzellen, die eine Vielzahl von pro-und anti-inflammatorischen Signalen integrieren und eine genau zugeschnittene Immunantwort auslösen. Bisher war nicht klar, was die Kombination von Lipopolysacchariden – einem Bestandteil bakterieller Zellwände – und apoptotischen Zellen als Stimuli für Makrophagen hinsichtlich ihrer Enhancer- und Genaktivität bewirkt. Durch die genomweite Analyse der Histon-H3K27-Acetylierung mit ChIP-seq wurden Enhancer und Gene im Zusammenhang mit der Sterolsynthese und der Leukozytenzelladhäsion sowie dem Transkriptionsfaktor Fosl2 als potenzielle Schlüsselfaktoren identifiziert. Die Ergebnisse dieser Arbeit tragen insgesamt zu einem umfassenderen Verständnis von Enhancern und Transkriptionsregulationsnetzwerken bei – im Allgemeinen und in zwei spezifischen biologischen Kontexten.