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Die Aufklärung der Mechanismen zur Kontrolle der Genexpression ist eines der wichtigsten Probleme der modernen Molekularbiologie. Detaillierte experimentelle Untersuchungen sind enorm aufwändig aufgrund der komplexen und kombinatorischen Wechselbeziehungen der beteiligten Moleküle. Infolgedessen sind bioinformatische Methoden unverzichtbar. Diese Dissertation stellt drei Methoden vor, die die Vorhersage der regulatorischen Elementen der Gentranskription verbessern. Der erste Ansatz findet Bindungsstellen, die von den Transkriptionsfaktoren erkannt werden. Dieser sucht statistisch überrepräsentierte kurze Motive in einer Menge von Promotersequenzen und wird erfolgreich auf das Genom der Bäckerhefe angewandt. Die Analyse der Genregulation in höheren Eukaryoten benötigt jedoch fortgeschrittenere Techniken. In verschiedenen Datenbanken liegen Hunderte von Profilen vor, die von den Transkriptionsfaktoren erkannt werden. Die Ähnlichkeit zwischen ihnen resultiert in mehrfachen Vorhersagen einer einzigen Bindestelle, was im nachhinein korrigiert werden muss. Es wird eine Methode vorgestellt, die eine Möglichkeit zur Reduktion der Anzahl von Profilen bietet, indem sie die Ähnlichkeiten zwischen ihnen identifiziert. Die komplexe Natur der Wechselbeziehung zwischen den Transkriptionsfaktoren macht jedoch die Vorhersage von Bindestellen schwierig. Auch mit einer Verringerung der zu suchenden Profile sind die Resultate der Vorhersagen noch immer stark fehlerbehafted. Die Zuhilfenahme der unabhängigen Informationsressourcen reduziert die Häufigkeit der Falschprognosen. Die dritte beschriebene Methode schlägt einen neuen Ansatz vor, die die Gen-Anotation mit der Regulierung von multiplen Transkriptionsfaktoren und den von ihnen erkannten Bindestellen assoziiert. Der Nutzen dieser Methode wird anhand von verschiedenen wohlbekannten Sätzen von Transkriptionsfaktoren demonstriert. / Understanding the mechanisms which control gene expression is one of the fundamental problems of molecular biology. Detailed experimental studies of regulation are laborious due to the complex and combinatorial nature of interactions among involved molecules. Therefore, computational techniques are used to suggest candidate mechanisms for further investigation. This thesis presents three methods improving the predictions of regulation of gene transcription. The first approach finds binding sites recognized by a transcription factor based on statistical over-representation of short motifs in a set of promoter sequences. A succesful application of this method to several gene families of yeast is shown. More advanced techniques are needed for the analysis of gene regulation in higher eukaryotes. Hundreds of profiles recognized by transcription factors are provided by libraries. Dependencies between them result in multiple predictions of the same binding sites which need later to be filtered out. The second method presented here offers a way to reduce the number of profiles by identifying similarities between them. Still, the complex nature of interaction between transcription factors makes reliable predictions of binding sites difficult. Exploiting independent sources of information reduces the false predictions rate. The third method proposes a novel approach associating gene annotations with regulation of multiple transcription factors and binding sites recognized by them. The utility of the method is demonstrated on several well-known sets of transcription factors. RNA interference provides a way of efficient down-regulation of gene expression. Difficulties in predicting efficient siRNA sequences motivated the development of a library containing siRNA sequences and related experimental details described in the literature. This library, presented in the last chapter, is publicly available at http://www.human-sirna-database.net

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Das ADAMTS16-Gen kodiert für eine Metalloproteinase, deren Funktion und Regulation bislang nicht beschrieben sind. Die ADAMTSs werden von Zellen verschiedener Organsysteme sezerniert und sind für den Abbau extrazellulärer Matrixbestandteile und die Prozessierung von Oberflächenrezeptoren, Signalmolekülen oder Wachstumsfaktoren verantwortlich. In der vorliegenden Arbeit wurden die gewebespezifische Lokalisation von Adamts16 und die möglichen Funktionen der Metalloproteinase im Urogenitalsystem untersucht. Weiterhin konnte die Regulation der Adamts16-Expression durch das Wilms-Tumor Protein beschrieben werden. In verschiedenen Zelllinien des Urogenitalsystems konnte eine Wt1-abhängige Adamts16-Expression festgestellt werden. Zudem erfolgte im Urogenitalsystem eine Koexpression von Adamts16 und Wt1 in embryonalen und adulten Podozyten, somatische Zellen der XX-Gonadenanlage und Granulosazellen und Epithelzellen des adulten Ovars. Im Testis war Adamts16 ohne signifikante Wt1-Koexpression in Spermatozyten und elongierten Spermatiden lokalisiert. Außerhalb des Urogenitalsystems waren Adamts16 und Wt1 im Epikard koexprimiert. Ein Wt1-Knockdown in Epikardzellen und embryonalen Nieren zeigte jeweils einen Rückgang des Adamts16-Expressionsniveaus. Ein Adamts16-Knockdown in embryonalen Nieren resultierte in verminderten Ureterverästelungen, was eine funktionelle Rolle von Adamts16 in der murinen Nierenentwicklung ex vivo andeutet. Der Wt1-Knockdown in Gonadenkulturen zeigte, dass Wt1 die Adamts16-Expression in XY-Gonaden hemmt, in XX-Gonaden hingegen aktiviert. Innerhalb des Adamts16-Gens konnten drei Wt1-Konsensusmotive identifiziert werden. Mit Hilfe von EMSAs und ChIPs konnte die Bindung der Wt1(-KTS)-Isoform an diese Konsensusmotive belegt werden. Ein Reportergenassay zeigte die Aktivierung des Adamts16-Promotors durch Wt1(-KTS) in Granulosazellen, wobei eine Verkürzung der Adamts16-Promotorsequenz zu einer Reduktion der Promotoraktivität führte. / The Adamts16 gene encodes for a metalloproteinase, whose function and regulation is hardly explored. ADAMTSs are secreted by different cells of various organs and are responsible for breaking down extracellular matrix compounds and processing signaling molecules, growth factors and surface receptors. In this work the tissue specific localization of Adamts16 and its possible function and regulation within the genito-urinary system were analyzed. Furthermore the regulation of Adamts16 through the wilms tumor transcription factor Wt1 is described. Different cell lines derived from the genito-urinary system showed a Wt1-dependent mRNA expression of Adamts16. In addition both proteins were co-expressed in embryonic and adult podocytes, somatic cells of the embryonic XX-gonad and granulosa and epithelial cells of the adult ovary. The testes showed a Wt1-independent Adamts16 expression in spermatocytes and elongated spermatids. Outside the genito-urinary system Adamts16 and Wt1 were co-expressed in the epicardium. Knockdown of Wt1 in both epicardial cells and embryonic kidney explants showed a decrease in the Adamts16 mRNA expression level. In turn the Knockdown of Adamts16 led to an inhibited branching morphogenesis in embryonic kidney explants. This indicates a functional role of Adamts16 in the ex vivo kidney development. Knockdown of Wt1 in cultured embryonic gonads revealed that Wt1 inhibits the expression of Adamts16 in XY-gonads but activates it in XX-gonads. Three Wt1 consensus motives were identified within the Adamts16 gene. Using EMSA and ChIP the binding of the Wt1(-KTS)-isoform to all three consensus motives was verified. The ability of Wt1 to activate the Adamts16 promoter was confirmed through reporter gene assays in granulosa cells.

Die vorliegende Studie präsentiert eine Analyse der Integration der AhR und Wnt/beta-catenin Signalwege in den CYP1A1 Promotor sowie den regulatorischen Einfluss der Promotorlogik auf die Genexpression. Experimentell wurde diese Analyse mithilfe 29 mutagener Reporterkonstrukte des humanen CYP1A1 Promotors durchgeführt. Ein mathematisches Modell, welches eine Repräsentation des Crosstalks der Signaltransduktionswege mit einer statistisch mechanischen Beschreibung der kombinatorischen Promotorbelegung kombiniert, komplementierte den experimentellen Ansatz. Unter zusätzlicher Zuhilfenahme von gut kontrollierbaren synthetischen Promotorkonstrukten fand ich heraus, dass nur jenes Dioxin-responsive Element das sich am nächsten am Transkriptionsstartpunkt befindet, die Promotorbelegung an die RNA Polymerase kommuniziert. Außerdem beobachtete ich, dass Transkriptionsfaktoren alleine mit Transkriptionsfaktoren interagieren die mit benachbarten Bindestellen assoziieren, d.h. Interaktionen überbrücken keine größeren Entfernungen. Der Modellierungsansatz ermöglichte zudem die erfolgreiche Vorhersage einer UND-Gatter-ähnlichen Integration der beiden Signalwege in den Promotor. Für die genomische Architektur des CYP1A1 Promotors konnte ich die Signifikanz der Zielbindestelle des Wnt/beta-catenin Signalwegs innerhalb des cis-regulatorischen Region demonstrieren. Mithilfe des Modells fand ich heraus, dass diese Bindestelle am stärksten und vielfältigsten mit den restlichen Transkriptionsfaktoren interagiert. Zusätzliche konnte, im Vergleich zu dem alles-oder-nichts UND-Gatter der synthetischen Konstrukte, eine sehr viel graduellere Antwort auf die Integration der beiden Signalwege aufgezeigt werden. Abschließend wurde das physiologisch zu beobachtende Expressionsmuster von dem Modell vorhergesagt und experimentell validiert. / The study at hand presents an analysis of the integration of the AhR and the Wnt/beta-catenin signaling pathways into the CYP1A1 promoter as well as the regulatory influence of the promoter logic on gene expression. Experimentally, this analysis was conducted with the help of 29 mutant constructs of the human CYP1A1 promoter. I complemented this experimental approach with a set of mathematical models that combined a representation of the signaling crosstalk with a statistical mechanics description of the combinatorial promoter occupancy. With the help of well controllable synthetic promoter constructs I found that only the dioxin responsive element closest to the transcription start site communicates the promoter occupancy to the RNA polymerase. Furthermore, transcription factors only interact with transcription factors that associate with nearby binding sites, i.e., no long-distance binding was observed. The modeling approach subsequently enabled the successful prediction of an AND-gate-like integration of the two signaling pathways into the promoter. For the genomic architecture of the CYP1A1 promoter, I could demonstrate the importance of the Wnt/beta-catenin pathway target binding site within the cis-regulatory region. The model uncovered that this binding site is the strongest and most promiscuous interaction partner of the remaining transcription factors. In addition, a less switch-like response to the integration of the two signaling pathways as compared to the all-or-none AND-gate within the synthetic constructs could be demonstrated. And lastly, the physiological expression pattern in liver lobules could be successfully predicted by the model and experimentally verified.

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