Systematische Analyse von Enhancer Wechselwirkungen

Die Regulierung der Genexpression während der Entwicklung und Homöostase ist wichtig, um die ordnungsgemäße Bildung und Funktion des Körpers sicherzustellen. Wann und wo ein Gen aktiviert wird, wird durch sogenannte Enhancer reguliert: Genomsequenzen, die die Aktivität eines Gens aus der Ferne steuern. Mit zunehmender genomischer Distanz zwischen einem Enhancer und einem Promotor nimmt jedoch die Aktivierung am Promotor ab. Darüber hinaus werden die meisten Gene von mehreren aktiven Enhancern im selben Zelltyp gesteuert. Die Interaktion und Kooperation zwischen einzelnen Enhancern bei der Aktivierung des Zielpromotors ist jedoch kaum verstanden. Wir haben einen neuartigen genomischen Lokus entwickelt, der die Integration einzelner und Kombinationen von Enhancern in definierten Abständen zu einem Reportergen ermöglicht. Bisher waren wir auf einzelne Enhancer-Integration beschränkt. In der Zukunft werden wir unsere Toolbox erweitern und einzelne Landeplätze durch einen rekombinationsvermittelten Kassettenaustausch (RMCE) austauschen. Dadurch können wir zahlreiche Enhancer parallel testen und deren Aktivierung des Zielgens allein oder in Kombination mit einem anderen Enhancer bestimmen. Sobald wir ein solches Tool implementiert haben, testen wir eine Bibliothek von Enhancern in unterschiedlichen Entfernungen zum Promotor und bestimmen, ob alle Enhancer mit zunehmender Entfernung ihre effiziente Aktivierung verlieren. Dann werden wir testen, ob die meisten Enhancer mit anderen Enhancern zusammenarbeiten und die Expression am Zielpromotor über ihre individuellen Aktivitäten hinaus steigern. Die Ergebnisse dieses neuartigen Screening-Ansatzes werden erstmals Kombinationen von Enhancern in unterschiedlichen Abständen zum Promotor und ihre Fähigkeit zur Aktivierung der Transkription testen. Gemeinsam mit Alex Stark (IMP, Wien) werden wir die zugrunde liegenden Sequenzmerkmale der Enhancer mithilfe von Künstlicher Intelligenz weiter erforschen, um potenzielle Klassen von Enhancern zu identifizieren. Schließlich werden wir synthetische Enhancer mit Eigenschaften für ideale Kooperativität bauen und sie in unserem genomischen Lokus testen. Sobald wir Beispiele für verschiedene Enhancer und mögliche Kooperationen identifiziert haben, werden wir mit Anton Goloborodko (IMBA, Wien) zusammenarbeiten, um zu bestimmen, wie einzelne Enhancer und Kombinationen von Elementen das 3D-Genom prägen. Wir werden die Veränderungen in der 3D- Genomorganisation kartieren und dadurch bestimmen, wie einzelne Enhancer den Kontakt mit einem Promotor erhöhen könnten. Die Erkenntnisse aus unserer Arbeit werden dazu beitragen, aufzuklären, wie Enhancer zusammenarbeiten, um die Distanz zum Promoter zu überbrücken und ihn zu aktivieren. Außerdem wird es in Zukunft dazu beitragen, kausale Mutationen in Enhancern zu identifizieren, die zu Krankheiten führen könnten, und den Weg für die Vorhersage der Genexpression allein anhand der Sequenz zu ebnen.