Regulatorische Landschaften von Genen steuern das präzise transkriptionelle Programm, das für die embryonale Entwicklung notwendig ist. Transkriptionsfaktoren (TFs) interagieren dabei mit regulatorischen Elementen (REs), um die Genexpression zu kontrollieren. Zur Untersuchung der zugrundeliegenden Mechanismen konzentriere ich mich auf das Xist-Gen, den Hauptregulator der X-Chromosom-Inaktivierung (XCI) in Säugetieren. In der Embryonalentwicklung wird Xist monoallelisch in weiblichen Zellen aktiviert, woraufhin die Xist-RNA das X-Chromosom überzieht und dessen Inaktivierung einleitet. Dadurch wird die erhöhte Dosis X-chromosomaler Gene in weiblichen Zellen kompensiert. Um ein umfassendes Verständnis der Xist-Regulatoren zu erhalten, nutze ich CRISPR-Screens, um REs und TFs in weiblichen embryonalen Stammzellen zu untersuchen. Dabei identifiziere ich ein neues nicht-kodierendes Gen namens Xert. Daruberhinaus stelle ich fest, dass promotor-nahe REs auf die Anzahl der X-Chromosomen reagieren, während distale REs unbeeinflusst bleiben. Durch meine TF-Screens entdecke ich zwei Gruppen von Aktivatoren: Die frühe Gruppe, darunter der X-chromosomale Faktor ZIC3, zeigt in weiblichen Zellen erhöhte Expression, was darauf hindeutet, dass sie die Xist-Expression auf weibliche Zellen beschränken. Die späte Gruppe, einschließlich OTX2, agiert geschlechtsunabhängig und stellt nach der initialen Xist-Aktivierung ein hohes Transkriptionslevel sicher. Mit weiteren CRISPR-Screens verknüpfe ich TFs mit REs und zeige, dass frühe Aktivatoren promotor-nahe REs beeinflussen, während späte Aktivatoren distale REs stärker regulieren. Diese Arbeit liefert eine systemische Perspektive des trans- und cis-regulatorischen Netzwerks, das die Xist-Aktivierung während der Differenzierung koordiniert und die Beschränkung auf weibliche Zellen gewährleistet. / The regulatory landscapes of developmental genes orchestrate precise and coordinated transcriptional programs required for embryonic development. During this process, transcription factors (TFs) interact with regulatory elements (RE) to finely tune gene expression. To study the regulatory principles acting in this context, I focus on the Xist gene, the master regulator of X-chromosome inactivation (XCI) in mammals. During early development, Xist is upregulated in a monoallelic fashion specifically in females. The Xist RNA then coats the X chromosome in cis, resulting in its inactivation. In this manner, female cells compensate for their increased X-chromosomal dosage in comparison to males. To obtain a complete understanding of Xist regulation, I first perform two CRISPR screens targeting REs and TFs during the early differentiation of female mouse embryonic stem cells. I identify Xist-controlling REs within the locus, unveiling a novel non-coding gene Xert. I further demonstrate the sensitivity of promoter-proximal REs to X-dosage, contrasted by the behavior of distal REs. In the TF screen, I detect two sets of activators which undergo transient upregulation at the onset of XCI. The early group of activators, including the X-linked TF ZIC3, exhibits higher expression levels in XX cells, indicating a role in restricting Xist expression to females. The late group of activators, including the master regulator of the epiblast OTX2, drives high transcript levels following Xist activation. Subsequently, I use a series of CRISPR screens targeting individual reporter constructs to map TF-RE wiring at the locus. I find that the early activators primarily act on the XX-dependent proximal REs. Contrary, the late activators interact with the sex-independent distal REs. With this study, I provide a systems level perspective of the trans- and cis-regulatory network that links Xist activation to early differentiation and ensures female-specificity.

Die Genregulation ist ein komplexer Prozess, bei dem Zellen die Menge der Genprodukte steuern, um ihre Identität auszubilden und auf Umweltveränderungen zu reagieren. Die CRISPR-Technologie hat genetische Screens revolutioniert und ermöglicht es, mehrere Transkripte gleichzeitig zu untersuchen. In dieser Arbeit werden die Vorteile und Herausforderungen gepoolter CRISPR-Screens zur Erforschung der Genregulation untersucht. Es wird ein CRISPR-ko-Screen in embryonalen Mausstammzellen (mESCs) beschrieben, der pluripotenzerhaltende Transkriptionsfaktoren identifiziert. Es zeigte sich, dass ein Screening mit einer kleinen Bibliothek den Großteil des biologischen Signals eines genomweiten Screens erfasst und die Identifizierung von Genkandidaten mit kleinen Effektgrößen verbessert. Nachfolgend wird CRISPTimeR, eine neue Methode für die Analyse von Zeitreihen von CRISPR-Screens, vorgestellt. Sie basiert auf gemischten linearen Modellen und ermöglicht es, Treffer zu identifizieren und gleichzeitig zeitlich zu klassifizieren. Als Nächstes wurde CRISPRi verwendet, um für die Pluripotenz von mESCs relevante lncRNAs zu untersuchen, was aufgrund ihrer schlechten Annotation und niedrigen Expressionsniveaus schwierig ist. Eine mögliche Lösung ist eine manuell verfeinerte Annotation von Transkriptionsstartstellen und kleinere Bibliotheks-Screens mit empfindlicherer phänotypischer Auslesung. Zudem wurde ein Sättigungsscreen genomischer Regionen rund um den PHOX2B-Lokus, zur Identifikation cis-regulierender Elemente, durchgeführt. Dabei wurden CRISPRa-reaktive Elemente identifiziert, die Gene in der PHOX2B-TAD regulieren, und mit diesen mittels Einzelzell RNA-seq in Verbindung gebracht. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit den Wert gepoolter CRISPR-Screens für die Erforschung der Genregulation und Herausforderungen der Analyse nicht-kodierender Elemente. Zusätzlich beschreibt sie ein neues Tool für die Analyse von kodierenden und nicht-kodierenden CRISPR-Screens in Zeitreihen. / Gene regulation is a complex process in which cells control gene product levels to establish identity and respond to environmental changes. CRISPR technology has revolutionized genetic screening, enabling researchers to study multiple transcripts simultaneously. This thesis explores the advantages and challenges of using pooled CRISPR screens to study gene regulation. First, I describe a CRISPR-ko screen in mouse embryonic stem cells (mESCs) to identify transcription factors involved in pluripotency maintenance. I show that a small-library screen captures most of the biological signal observed in a genome-wide screen, and it improves the identification of candidate genes with small effect sizes. Next, introduce CRISPTimeR, a novel method for the analysis time-series CRISPR screens. CRISPTimeR is based on mixed linear models; it allows to use information from a time-series experiment to identify, and simultaneously perform temporal classification on, hits. Next, I use CRISPRi to study lncRNAs relevant to pluripotency in mESCs. Targeting lncRNAs poses challenges due to poor annotation and low expression levels. I suggest to address these issues by using a hand-refined annotation of transcription start sites and by designing small-library screens with more sensitive phenotypic readout. Finally, I describe a saturation screen targeting large genomic regions around the PHOX2B locus, to identify putative cis-regulatory elements. I identified CRISPRa responsive elements involved in regulating the expression of genes within the PHOX2B TAD, which were then matched with the genes they control using single-cell RNA-seq. Overall, in this thesis I demonstrate the value of CRISPR pooled screens for studying gene regulation, while highlighting the challenges associated with targeting non-coding elements and suggesting possible approaches to address these challenges. Moreover, I introduce a novel tool for the analysis of both coding and non-coding time-series CRISPR screens.