No / Patients with acute vitiligo have low epidermal catalase expression/activities and accumulate 10 -3 M H 2O 2. One consequence of this severe oxidative stress is an altered calcium homeostasis in epidermal keratinocytes and melanocytes. Here, we show decreased epidermal calmodulin expression in acute vitiligo. Since 10 -3M H 2O 2 oxidises methionine and tryptophan residues in proteins, we examined calcium binding to calmodulin in the presence and absence of H 2O 2 utilising 45calcium. The results showed that all four calcium atoms exchanged per molecule of calmodulin. Since oxidised calmodulin looses its ability to activate calcium ATPase, enzyme activities were followed in full skin biopsies from lesional skin of patients with acute vitiligo (n = 6) and healthy controls (n = 6). The results yielded a 4-fold decrease of ATPase activities in the patients. Computer simulation of native and oxidised calmodulin confirmed the loss of all four calcium ions from their specific EF-hand domains. Taken together H 2O 2-mediated oxidation affects calcium binding in calmodulin leading to perturbed calcium homeostasis and perturbed L-phenylalanine-uptake in the epidermis of acute vitiligo.

HOX-Gene sind essentielle Transkriptionsfaktoren (TFs), die den Körperplan, die Struktur und die Organbildung während der Entwicklung bestimmen. Diese komplexen Prozesse werden präzise von in verschachtelter Weise exprimierten HOX-Genen reguliert. In vitro Experimente zeigten jedoch, dass die HOX-DNA-Bindungsdomäne stark konserviert ist und oft ähnliche DNA-Sequenzen bindet. Die niedrige biochemische Bindungsspezifität und die hochspezifischen Funktionen stehen oft im Widerspruch und bilden das Schlussthema des so genannten Hox-Paradoxons. Das Paradox besteht aufgrund der folgenden Hindernisse: hohe Proteinhomologie, unspezifischen Antikörper sowie die verschachtelte HOX-Expressionsmuster. Das Ziel dieser Arbeit war, diese Probleme zu überwinden, die HOX-DNA-Bindung in kontrollierten und physiologischen Umstände zu untersuchen und die Bindung von neun Gliedmaßen-spezifischen posterioren HOXA und -D-TFs zu vergleichen. Zu diesem Zweck wurden neun Hühner-HOX-Gene (HOXA- und HOXD9-13) mit dem FLAG markiert und mittels Viren in Gliedmaßen-mesenchymalen Zellen exprimiert. Somit wurde der Vergleich unter identischen und kontrollierten Bedingungen ermöglicht. Im Einklang mit in vivo Funktionsdaten zeigten die HOX-Bindungsprofile, dass zwei direkte Paraloge (z. B. HOXA10 und D10) häufiger dieselben Regionen binden als zwei Nicht-Paraloge (z. B. HOXA9 und A13). Außerdem, die hier beschriebene HOX-DNA-Bindung unterscheidet sich von in vitro Bindung, was darauf hinweist, dass Kofaktoren für deren biologische Funktion wichtig sind. Zusätzlich ergab sich aus dem Bindungsvergleich, dass es zuvor unbekannte Unterschiede zwischen Bindungsweise von HOX-TFs gibt, die zumindest teilweise auf der Häufigkeit von direkter Bindung und Ko-Bindung mit anderen TFs beruhen. Schließlich wurde mit der Kombination von Genetik, Genomik und Biochemie einen neuen HOX-Kofaktor entdeckt, CTCF, der auf ein mögliches Wechselspiel zwischen der HOX-Zielregulation und der Chromatinarchitektur hindeutet. / HOX genes are essential developmental transcription factors (TFs) that pattern the animal body plan, their structures and organs. To precisely control these very diverse processes HOX genes are expressed in a nested fashion and regulate their targets in a context specific way. However, in vitro experiments indicated that HOX DNA binding domain (Homeodomain) is remarkably rigid and often binds very similar DNA sequences. This discrepancy between high functional specificity and low in vitro biochemical specificity is at the core of a problem termed Hox paradox. This paradox persists due to several biological and technical obstacles; namely high HOX protein homology and lack of sufficiently specific antibodies as well as nested HOX expression pattern. The aim of this study was to address these problems, study HOX-DNA binding in a controlled, Hox-native environment and to compare HOX-DNA binding of nine posterior vertebrate HOXA and HOXD TFs. To do this, nine chicken HOX genes (HOXA9-13 and HOXD9-13) were FLAG-tagged and virally expressed in chicken mesenchymal limb-derived cells enabling comparison of their binding in an identical setup and controlled conditions. HOX binding profiles uncovered two direct paralogues (i.e. HOXA10 and D10) bind more often same regions than two non-paralogues (i.e. HOXA9 and A13) reminiscent of in vivo functional data. Moreover, the here described in vivo HOX-DNA binding differs from in vitro binding, indicating the importance of cofactors and biological context for HOX binding and functional outcome. Additionally, binding comparison uncovered previously unknown differences between binding modes of HOX-TFs that at least partially rely on the abundance of direct binding and co-binding with other TFs. Finally, with combination of genetics, genomics and biochemistry a novel HOX cofactor, CCCTC binding factor (CTCF), was discovered suggesting potential interplay between HOX target regulation and chromatin architecture.

Veränderungen in der lokalen Chromatinstruktur beeinflussen die dynamische Regulation von Genen, welche für die Differenzierung notwendig sind. PU.1 ist ein Master-Transkriptionsfaktor in der Hämatopoese und wird streng reguliert, um ein zelllinienspezifisches Expressionsmuster zu erzielen. Hohe Konzentrationen von PU.1 sind für myeloische Differenzierung erforderlich. In B-Zellen wird PU.1 mittelstark exprimiert und muss aktiv runterreguliert werden, um eine Ausdifferenzierung der multipotenten Vorläuferzellen zu T-Zellen zu ermöglichen. Derzeit ist wenig über die Regulierung von PU.1 in T-Zellen bekannt. Darüber hinaus wurde eine abnormale Expression von PU.1 in verschiedenen Leukämieerkrankungen beobachtet. Mittels eines genome-wide Chromatin-Interaktions-Screens konnten wir einen cis-Repressor mit insulierender Kapazität identifizieren, welcher mittels eines Chromatinloops die Promotoraktivität von PU.1 in T-Zellen, jedoch nicht in myeloischen oder B-Zellen blockiert. Sowie Looping als auch Insulation erfordern die Bindung des Chromatin-Regulatorprotein CTCF. Im Gegensatz zu normalen myeloischen Zellen finden wir, dass Krebszellen aus myeloischen Leukämie Patienten diese T-Zell-spezifische repressive Chromatinstruktur aufweisen, was einen räumlichen Kontakt des Insulator mit dem PU.1 Promotor ermöglicht. Die Ergebnisse dieser Arbeit beschrieben das CTCF gesteuerte „long distance looping“ als ein neuer molekularer epigenetischer Mechanismus, um Transkriptionsfaktor PU.1 in T-Zellen runterzuregulieren, und zeigen zum ersten mal, dass Krebszellen die Chromatinstruktur anderer Zelllinien imitieren können, um die Expression von Differenzierungsgenen zu blockieren. / Alterations in the local chromatin structure orchestrate the dynamic regulation of differentiation promoting genes. PU.1 is a master transcription factor in hematopoiesis. PU.1 gene must be tightly regulated to achieve lineage specific expression pattern. High levels of PU.1 are required for myeloid commitment: it is expressed at intermediate level in B-cells and must be actively silenced to permit T cell development from early multipotent progenitors. However, little is known of how PU.1 is regulated in T-cells. Moreover, aberrant PU.1 expressions have been observed in multiple leukemias. Using a genome-wide chromatin interaction screen we identified a cis-repressor with insulating capacity that undergoes long-distant chromatin looping to block PU.1 promoter activity in T cells but not myeloid or B cells. Looping and repression requires binding of the chromatin regulator protein CTCF. In contrast to normal myeloid cells, we found that cancer cells from myeloid leukemia patients adopt the T cell specific repressive chromatin structure bringing the insulator into spatial contact with the PU.1 promoter. These results identify CTCF controlled long-distant insulator looping as a novel mechanism to silence lineage-opposing transcription factor expression, and reveal that cancer cells can mimic the chromatin confirmation of another lineage to block expression of differentiation driving genes.

Post-transkriptionelle Genregulation ist ein zentraler Mechanismus, den lebende Organismen nutzen, um Funktionalität, Entwicklung und Anpassung zu gewährleisten. Defizite in diesem Mechanismus haben zahlreiche Krankheiten und Fehlfunktionen zur Folge. Post-transkriptionelle Genregulation wird von RNA-bindenden Proteinen (RBPs) ausgeführt. Ihr kombinatorisches Agieren ermöglicht eine genau abgestimmte Kontrolle räumlicher und zeitlicher Genexpression. Ein RBP erkennt seine Zielmoleküle typischerweise anhand sogenannter Bindemotive: Nukleotidsequenzen, die kompatibel sind mit einer Aminosäuretasche innerhalb des Proteins. Es gibt jedoch einen Sonderfall der Zielmolekülerkennung, der überRNAs, insbesondere microRNAs (miRNAs), vermittelt wird. miRNAs sind im Genom kodierte 20-25 Nukleotid lange RNAs, die in Argonaut (Ago)-Proteine geladen werden können, um diese zu ihren Zielmolekülen (z.B mRNAs) zu navigieren. Es wird angenommen, dass miRNA:Ago-Komplexe nahezu alle zellulären Prozesse kontrollieren. Dementsprechend werden miRNA-Fehlfunktionen (z.B. verursacht durch Mutation nur eines einzelnen Nukleotids in einer Bindestelle) mit zahlreichen Erkrankungen in Verbindung gebracht. Die Charakterisierung aller miRNA-Zielmoleküle („miRNA targetome“) ist eine der wichtigsten Fragen, die mithilfe der Systembiologie adressiert werden kann. / Post-transcriptional gene regulation is a key mechanism exploited by living organisms to ensure their functionality, development and adaptation. Deficiencies in this mechanism lead to various diseases and malfunctions. Post-transcriptional gene regulation is exerted by RNA-binding proteins (RBPs). Their combinatorial action allows fine-tuned control over spatial and temporal gene expression to meet the actual cell demands. An RBP typically recognizes its targets via so called binding motifs: nucleotide sequences compatible with an amino-acid pocket inside the protein. However, there is a special case of target recognition guided by RNAs. In particular, micro RNAs(miRNAs) – 20-25 nucleotide long transcripts encoded in the genome–can be loaded into Argonaute (Ago) proteins to navigate them to their target RNAs. It is estimated that miRNA:Ago complexes control virtually all processes occurring in the cell. Consequently, malfunctions in the miRNA pathway (including even a single nucleotide mutation in a binding site) are implicated in multiple disorders. Therefore, the characterization of the “miRNA targetome” is one of the most important questions addressed to the systems biology

Die Berlin Fett Maus Inzuchtlinie (BFMI) ist ein Modell für jugendliche Fettleibigkeit, die natürliche Mutationen aufweist, welche uns helfen können, die genetischen Mechanismen zu verstehen, die zu Fettleibigkeit führen. Bei früheren Untersuchungen, von Kreuzungen zwischen BFMI und B6N, wurde ein rezessiver Defekt auf Chromosom 3 (jObes1) identifiziert, der juvenile Fettleibigkeit verursacht. Die Feinkartierung engte den jObes1-Lokus, mit Hilfe einer fortgeschrittenen Kreuzungslinie auf das Bardet-Biedl-Syndrom 7 - Gen (Bbs7), das wahrscheinlichste Kandidatengen für den Phänotyp der juvenilen Fettleibigkeit in BFMI ein. Die Genexpressionsanalyse des gesamten Gehirns von BFMI- und B6N-Mäusen zeigte, dass die Expression des Gens Bbs7 bei BFMI-Mäusen im Vergleich zu den B6N-Referenzmäusen deutlich reduziert war. Sequenzvergleiche zwischen den beiden Linien BFMI und B6N zeigten zwei wesentliche Unterschiede zwischen ihnen: (1) eine 1.578 bp Deletion im Intron 8 von Bbs7 in BFMI-Mäusen, die einen CCCTC-bindenden Faktor (CTCF-Element) enthält (2) 16 Sequenzvarianten, die in der Bbs7-Promotorregion (36. 613.319 - 36.614.267, Ensembl release 102) in den BFMI-Mäusen, im Vergleich zur B6N-DNA-Sequenz, für die Unterschiede in der Bbs7-Genregulation verantwortlich sein könnten. Mit dieser Studie sollten zwei Hauptfragen beantwortet werden: (1) Hat die gelöschte Intron-8-Region von Bbs7, die ein CTCF-Element enthält, einen teilweisen oder vollständigen Einfluss auf die Entwicklung von juveniler Adipositas bei BFMI-Mäusen? (2) Was ist die ursächliche Variante in der Promotorregion des Bbs7-Gens, die zu Expressionsunterschieden des Bbs7-Gens zwischen BFMI und B6N führt? Sowohl der einzelne 5'-UTR-SNP, als auch die Deletion im Intron 8 von Bbs7, können zu dem beobachteten Phänotyp der BFMI-Mäuse beitragen, indem sie höchstwahrscheinlich die Bbs7-Expression verringern und den Fettanteil erhöhen. / The Berlin Fat Mouse Inbred (BFMI) line is a model for juvenile obesity which harbors natural mutations that can help us understand the genetic mechanisms leading to obesity. Previous research on crosses between BFMI and B6N identified a recessive defect causing juvenile obesity on chromosome 3 (jObes1). This explains around 40% of the bodyweight differences in an F2 cross between BFMI and the reference B6N mouse. Fine mapping, using an advanced intercross line, of the jObes1 locus, revealed the Bardet-Biedl syndrome 7 (Bbs7) gene as the most likely candidate gene for the juvenile obesity phenotype in the BFMI. Gene expression analysis on the whole brain of BFMI and B6N mice showed that the expression of the Bbs7 gene in BFMI mice was reduced significantly compared to the B6N reference mice. Sequence comparisons between the two lines BFMI and B6N showed two major differences between them: (1) a 1,578 bp deletion in intron 8 of Bbs7 in BFMI mice harboring a CCCTC-binding factor (CTCF-element) which works as a transcriptional activator, a repressor, or an insulator, located within the deletion, and (2) 16 sequence variants identified in the Bbs7 promoter region (36.613.319 – 36.614.267, Ensembl release 102) in the BFMI mice compared to the B6N DNA sequence which can be responsible for differences in Bbs7 gene regulation. This study aimed to answer two main questions: (1) Does the deleted intron 8 region of Bbs7 which includes a CTCF-element have any partial or complete impact on the development of juvenile obesity in BFMI mice and what is the explanation for that? (2) What is the causal variant in the promoter region of the Bbs7 gene that leads to expression differences of the Bbs7 gene between BFMI and B6N? Both, the single 5’ UTR-SNP and the deletion in intron 8 of Bbs7 can contribute to the observed phenotype in the BFMI mice most likely by reducing Bbs7 expression and increasing fat accumulation.

Während der Entwicklung des Organismus führen naive Zellen aufgrund eines streng regulierten Transkriptionsprogramms zu differenzierten Zelltypen und Geweben. Obwohl viele Aspekte dieses Differenzierungsprozesses noch wenig verstanden sind, ist allgemein anerkannt, dass Transkriptionsfaktoren (TFs), die mit cis-regulatorischen Modulen (CRMs), nämlich Enhancern, interagieren, einen wesentlichen Beitrag zur Regulierung der räumlich-zeitlichen Genexpression leisten. Um die regulatorischen Wechselwirkungen von Enhancern zu verstehen, verwendete ich eine Technik namens inSTEP, von zwei wichtigen neurogenen Enhancern und einem mesodermalen Enhancer zu entschlüsseln. inSTEP ist eine Abkürzung für in vivo Spatio-Temporal Enhancer Proteomics und beinhaltet die Präzipitation eines ausgewählten Enhancers zusammen mit all seinen gebundenen Elementen aus einem bestimmten Gewebe zur Identifizierung durch Massenspektrometrie (MS), wodurch die Identifizierung von regulatorischen Kandidaten ermöglicht wird, die die Neurogenese vorantreiben. Das Herunterfallen von mindestens zwei der mutmaßlichen Regulierungskandidaten CG4707 und CG2962 führte zu einem veränderten Reportergen-Expressionsmuster, das vom vndenhancer gesteuert wurde, was darauf hindeutet inSTEP ist in der Lage, neue regulatorische Proteine zu identifizieren, die an der Regulation der Genexpression im sich entwickelnden Nervensystem beteiligt sind. Einer der Enhancer, an denen ich am meisten interessiert bin, ist ein Enhancer für das Gen vnd, das einen entscheidenden TF für die Neurogenese codiert. Ich habe mein Projekt daher über die Frage hinaus erweitert, wie vnd-Expression reguliert wird, um auch die Rolle einzubeziehen, die Vnd selbst bei der Neurogenese spielt. Ich habe ChIP-seq-Experimente durchgeführt, um die genomweiten Bindungsprofile von Vnd aufzuklären, und ich habe Werkzeuge entwickelt, die die isoformspezifische Rolle von Vnd aufklären. / During organismal development, naive cells give rise to differentiated cell types and tissues as a result of a tightly regulated transcriptional programs. Although many aspects of this differentiation process are still poorly understood, it is widely accepted that transcription factors (TFs) interacting with cis-regulatory modules (CRMs), namely enhancers, are major contributors to regulate spatio-temporal gene expression. In order to understand the regulatory interactions of enhancers, I used a technique called inSTEP to unravel the enhancer-protein interactions on two major neurogenic enhancers (for the vnd and rho genes) and one mesodermal enhancer (1070enhancer), for which no target genes are known. inSTEP is an acronym for in vivo Spatio-Temporal Enhancer Proteomics and entails precipitation of a chosen enhancer together with all its bound elements from a specific tissue, for identification by mass spectrometry (MS), thus enabling the identification of regulatory candidates driving neurogenesis. I have identified candidate regulators in the ventral column and selected ten to do follow-up experiments The knock down of at least two of the vndenhancer putative regulators, CG4707 and CG2962, led to an altered reporter gene expression pattern driven by the vndenhancer, suggesting that inSTEP is able to identify new regulatory proteins involved in the regulation of gene expression in the developing nervous system. One of the enhancers I am most interested in is an enhancer for the gene vnd, which encodes a crucial TF for neurogenesis. I have therefore expanded my project beyond the question of ‘how’ vnd expression is regulated, to also include the role Vnd itself plays in neurogenesis. I have conducted ChIP-seq experiments to elucidate the genome-wide binding profiles of Vnd and I have developed tools that will elucidate the isoform-specific role of Vnd.

Einzelzellomics bieten unvoreingenommene Einblicke in Transkriptionsprogramme und Genom-Zugänglichkeiten auf zellulärer Ebene, auch wenn der zelluläre Kontext verloren geht. Wir haben einen virtuellen Multi-omic Embryo der Drosophila melanogaster erstellt, basierend auf den Datentypen RNA (Transkriptom) und ATAC (Zugänglichkeit der DNA), welche gleichzeitig auf Einzelzell Ebene erhoben wurden. Mithilfe des Tools novoSpaRc, welches den räumlichen Ursprung der Zellen rekonstruiert, konnte ein regulatorischen Bauplan erstellt werden, der die Genexpression und die Zugänglichkeit von Enhancern widerspiegelt. Diese Ressource hilft beim Verständnis der regulatorischen Dynamik in der Entwicklung. Bei der Untersuchung von ATAC-Peaks konnten wir Überschneidungen zwischen den Mustern der Chromatin Zugänglichkeit und der Aktivität unabhängiger getesteter Enhancer feststellen, was die Bedeutung der Zugänglichkeit unterstreicht. Die nicht-negative Matrixfaktorisierung identifizierte Archetypen der Genexpression und der Chromatin-Zugänglichkeit. Archetypen, die möglicherweise durch Transkriptionsfaktoren (TFs) reguliert werden, wurden einer Motiv-Anreicherungsanalyse für Archetyp-assoziierte CRMs unterzogen. Ein Ansatz zur Vorhersage von Enhancern, ordnete die Enhancer den Genen auf der Grundlage partieller Ähnlichkeit der Muster zu. Zusammenfassend dient unser multimodaler virtueller Embryo als Ressource und präsentiert zum ersten Mal räumliche Chromatin-Zugänglichkeiten für genomische Regionen für einen ganzen Organismus. Die Ergebnisse geben Aufschluss über die Prinzipien der Genregulation und zeigen den regulatorischen Einfluss von Transkriptionsfaktoren auf den Chromatinzustand von Enhancern. / Single-cell-omics techniques provide unbiased insights into transcriptional programs and genomic accessibility patterns at the cellular level despite sacrificing spatial information. We created a multi-omic virtual Drosophila melanogaster stage 6 embryo by simultaneously assessing genome accessibility and transcriptional states in individual cells. Using novoSpaRc, a spatial mapping tool, we accurately reconstructed the spatial origin of cells, yielding a regulatory blueprint reflecting gene expression and enhancer accessibilities. This resource aids in understanding developmental regulatory dynamics. Examining ATAC-peaks, we observed overlapping chromatin accessibility patterns with the activity of independently testes enhancers, emphasizing accessibility's importance. Non-negative matrix factorization identified archetypes in gene expression and chromatin accessibility. Accessibility archetypes, potentially regulated by transcription factors (TFs), were subjected to motif enrichment analysis for archetype-associated CRMs. An enhancer prediction approach, utilizing a generalized linear model, assigned enhancers to genes based on partial pattern similarity. In summary our multi-modal virtual embryo serves as a resource and presents for the first time single-cell chromatin accessibilities for genomic regions reconstructed in space for a whole organism in a single developmental stage. The results shed light on gene regulatory principles, highlighting the regulatory impact of TFs on chromatin states of enhancers.

Als Schlüsselfaktor des hämatopoietischen Systems spielt PU.1 eine ent-scheidende Rolle in der Entwicklung der meisten hämatopoietischen Li-nien. Das PU.1 Expressionslevel bestimmt das Differenzierungspotential hämatopoietischer Stammzellen und Vorläufer. In den unterschiedlichen Zelltypen werden verschiedene Expressionsstärken etabliert. Wie diese zelltypischen Expressionslevel vonPU.1 generiert werden, ist bisher weit-gehend unbekannt. In der vorliegenden Doktorarbeit wurde mit Hilfe eines transgenen Maus-modells die cis-regulatorische Einheit von PU.1 definiert, um mit nachfol-genden molekularbiologischen und genomweiten Ansätzen Mechanismen der zellspezifischen Regulation von PU.1 zu aufzuzeigen. Die Definition der cis-regulatorischen Einheit von PU.1 erfolgte mit Hilfe eines transgenen Mausmodells, welches ein humanes PU.1 BAC Kons-trukt trägt. Es konnte gezeigt werden, dass humanes und murines PU.1 substituierbar sind und den gleichen Regulationsmechanismen unterlie-gen. Mit Hilfe genomweite DNaseI hypersensitivity Analysen, Methylie-rungs- und Bindungsstudien konnte ein neuer Regulationsmechanismus beschrieben werden, der eine spezifische kombinatorische Interaktion verschiedener cis-regulatorischer Elemente erfordert. Durch Reportergenassays in verschiedenen Zelltypen war es möglich, einen myeloischen Enhancer zu identifizieren. Es konnte gezeigt werden, dass PU.1 mit zelltyp-spezifischen Transkriptionsfaktoren interagiert, um unterschiedliche Bindungsmuster an seinen regulatorischen Elementen zu etablieren. Dadurch kommt es zu den spezifischen Expressionstärken von PU.1 / The transcription factor PU.1 occupies a central role in controlling myeloid and early B cell development and its correct lineage-specific expression is critical for the differentiation choice of hematopoietic progenitors. However, little is known of how this tissue-specific pattern is established. We previously identified an upstream regulatory cis-element (URE) whose targeted deletion in mice decreases PU.1 expression and causes leukemia. We show here that the URE alone is insufficient to confer physiological PU.1 expression, but requires the cooperation with other, previously unidentified elements. Using a combination of transgenic studies, global chromatin assays and detailed molecular analyses we present evidence that PU.1 is regulated by a novel mechanism involving cross-talk between different cis-elements together with lineage-restricted autoregulation. In this model, PU.1 regulates its expression in B cells and macrophages by differentially associating with cell-type specific transcription factors at one of its cis-regulatory elements to establish differential activity patterns at other elements.

Wie regulatorische Sequenzen die Genexpression steuern, ist von grundlegender Bedeutung für die Erklärung von Phänotypen in Gesundheit und Krankheit. Die Funktion regulatorischer Sequenzen muss letztlich in ihrer genomischen Umgebung und in entwicklungs- oder gewebespezifischen Zusammenhängen verstanden werden. Da dies eine technische Herausforderung ist, wurden bisher nur wenige regulatorische Elemente in vivo charakterisiert. Hier verwenden wir Induktion von Cas9 und multiplexed-sgRNAs, um hunderte von Mutationen in Enhancern/Promotoren und 3′ UTRs von 16 Genen in C. elegans zu erzeugen. Wir quantifizieren die Auswirkungen von Mutationen auf Genexpression und Physiologie durch gezielte RNA- und DNA-Sequenzierung. Bei der Anwendung unseres Ansatzes auf den 3′ UTR von lin-41, bei der wir hunderte von Mutanten erzeugen, stellen wir fest, dass die beiden benachbarten Bindungsstellen für die miRNA let-7 die lin-41-Expression größtenteils unabhängig voneinander regulieren können, mit Hinweisen auf eine mögliche kompensatorische Interaktion. Schließlich verbinden wir regulatorische Genotypen mit phänotypischen Merkmalen für mehrere Gene. Unser Ansatz ermöglicht die parallele Analyse von genregulatorischen Sequenzen direkt in Tieren. / How regulatory sequences control gene expression is fundamental for explaining phenotypes in health and disease. The function of regulatory sequences must ultimately be understood within their genomic environment and development- or tissue-specific contexts. Because this is technically challenging, few regulatory elements have been characterized in vivo. Here, we use inducible Cas9 and multiplexed guide RNAs to create hundreds of mutations in enhancers/promoters and 3′ UTRs of 16 genes in C. elegans. We quantify the impact of mutations on expression and physiology by targeted RNA sequencing and DNA sampling. When applying our approach to the lin-41 3′ UTR, generating hundreds of mutants, we find that the two adjacent binding sites for the miRNA let-7 can regulate lin-41 expression largely independently of each other, with indications of a compensatory interaction. Finally, we map regulatory genotypes to phenotypic traits for several genes. Our approach enables parallel analysis of gene regulatory sequences directly in animals.

Die Grundlage der Entwicklung multizellulärer Lebewesen bildet die Herausbildung stabiler Zelllinien aus einer einzelnen Zygote. Die Expression spezifischer Kombinationen von Transkriptionsfaktoren ist von zentraler Bedeutung für diesen Prozess. Des Weiteren sind epigenetische Veränderungen des Genoms von Bedeutung, über deren Verhältnis zu Änderungen der Zell-Identitäten weniger bekannt ist. In dieser Arbeit nutze ich Daten aus scATAC-seq und scRNA-seq (mit metabolischer Markierung; scSLAM-seq) um die regulierenden Elemente im Seeigel zu charakterisieren – vom 4-Zell-Stadium, über die Aktivierung des zygotischen Genoms, bis hin zu den Strukturen der frühen Pluteus-Larve. Die Schicksale der einzelnen Zellen des Seeigels sind gut erforscht und ab der vierten Zellteilung etabliert (auch wenn einzelne Veränderungen bis zum 128-Zell Stadium induziert werden können), wonach die Keimblätter fest verankert sind. Plastizität innerhalb der Keimblätter ist mindestens bis zum Ende der Gastrulation möglich. Mithilfe dieser Daten, sowie den bekannten Ergebnissen der Erforschung der Zellschicksale vergangener Jahrzehnte, ist eine Diversifizierung von Zelltypen ersichtlich, die beim 128-Zell-Stadium mit der großen Welle der zygotischen Genomaktivierung (ZGA), einer Veränderung des Chromatinzustandes und dem Verlust der Entwicklungsplastizität einhergeht. Ein kleiner Teil von Genen, im Allgemeinen zelltypspezifische Transkriptionsfaktoren, wird schon vor der großen Welle der ZGA exprimiert, während sich gut offene Chromatinstrukturen auf wenige, distinkte regulatorische Sequenzen beschränken. Von diesem Zeitpunkt an, wird die Genexpression zelltypspezifisch, auch wenn viele Chromatinelemente weiterhin zelltypübergreifend offen sind. Insgesamt sind die Chromatinelemente recht kompakt und Elemente innerhalb der Gene häufig. Danach porträtiere ich noch die regulatorischen Veränderungen die mit der neuralen Entwicklung, sowie der Diversität von skelettbildenden Zellen im Seeigel einhergehen. Zuletzt identifiziere ich ~ 100 Gene, die in die Kalzifizierung des Skelettes des Seeigels involviert sind. / The emergence of multiple, stable cell lineages from a single-cell zygote is the essence of multicellular development. Combinatorial transcription factor expression is central to this process, as well as epigenetic changes whose relationship to changes in cell-identity are far less well understood. In this thesis, I use data from scATAC-seq and scRNA-seq (with metabolic labeling; scSLAM-seq) to characterize the regulatory landscapes of sea urchin development spanning from the 4-cell embryo through maternal zygotic transition (MZT), gastrulation, and the early pluteus larvae with its ecologically relevant structures (~72h). The early fate-map in sea urchins is well understood, providing an ideal model for this analysis; the basic fate-map is established by the fourth cleavage (though inducible lineage changes are possible up to the 128-cell stage) after which germ-layer identity is locked, though there remains considerable plasticity within lineages at least through gastrulation. Using these data, along-side classic research into cell fate maps in the early embryo, I find that cell-type diversification and a loss of plasticity at 128-cell stage corresponds to a major wave of zygotic genome activation (ZGA) and a clear resolution of the chromatin landscape in the sea urchin. However, a subset of genes, often cell-type-specific transcription factors, shows evidence of pre-MZT zygotic expression with early chromatin accessibility limited to few sites with distinct regulatory sequences. From this time, gene expression profiles become highly cell-type-specific, though many regulatory elements remain ubiquitously accessible, suggesting differential transcription factor occupancy at broadly accessible sites. Overall, the regulatory landscape is fairly compact with accessible intragenic elements being frequent. Subsequently, I profile the regulatory changes underlying neurodevelopment and the diversity of skeletogenic cells in the sea urchin. Finally, I also identify ~ 100 genes that are associated with calcification of the sea urchin skeleton.