Regulation of gene expression by the control of transcription is essential for any cell to adapt to the environment and survive. Transcription regulators, i.e. sequence-specific DNA binding proteins that regulate gene expression, are central elements within the gene networks of most organisms. Transcription regulators are grouped into distinct families based on structural features that determine, to a large extent, the DNA sequence(s) that they can recognise and bind. Less is known, however, about how the DNA binding preferences can diversify within transcription regulator families during evolutionary timescales, and how such diversification can affect the biology of the organism.
In this dissertation I study the SREBP (sterol regulatory element binding protein) family of transcriptional regulators in yeasts, and in Candida albicans in particular, as an experimental system to address these questions. The SREBPs are conserved from fungi to humans and represent a subgroup of basic helix-loop-helix DNA binding proteins. Early chromatin immunoprecipitation experiments with SREBPs from humans and yeasts showed that these proteins bound in vivo to the canonical DNA sequence, termed E-box, most basic helix-loop-helix proteins bind to. By contrast, most recent analysis carried out with less-studied fungal SREBPs revealed a non-canonical DNA motif to be the most overrepresented sequence in the bound regions.
This study aims to establish the intrinsic DNA binding preferences of key branches of this family and to determine how the divergence in DNA binding affinities originated. To this end, I combined phylogenetic and ancestral reconstruction with extensive biochemical characterisation of key SREBP proteins. The results indicated that while the most-studied SREBPs (in mammals) indeed show preference for the E-box, a second branch of the family preferentially binds the non-E-box, and a third one is able to bind both sequences with similar affinity. The preference for one or the other DNA sequence is an intrinsic property of each protein because their purified DNA binding domain was sufficient to recapitulate their in vivo binding preference. The ancestor that gave rise to these two different types of SREBPs (the branch that binds E-box and the one that binds non-E-box DNA) appears to be a protein with a broader DNA binding capability that had a slight preference for the non-canonical motif. Thus, the results imply these two branches originated by either enhancing the original ancestral preference for non-E-box or tilting it towards the E-box DNA and flipping the preference for this sequence.
The main function associated with members of the SREBP family in most eukaryotes is the control of lipid biosynthesis. I have further studied the function of these proteins in the lineage that encompasses the human associated yeast C. albicans. Strikingly, the three SREBPs present in the fungus’ genome contribute to the colonisation of the mammalian gut by regulating cellular processes unrelated to lipid metabolism. Here I describe that two of the three C. albicans SREBPs form a regulatory cascade that regulates morphology and cell wall modifications under anaerobic conditions, whereas the third SREBP has been shown to be involved in the regulation of glycolysis genes.
Therefore, I posit that the described diversification in DNA binding specificity in these proteins and the concomitant expansion of targets of regulation were key in enabling this fungal lineage to associate with animals. / Für jede Zelle ist es essenziell die Transkription über die Genexpression zu regulieren, um sich an unterschiedliche Lebensbedingungen anzupassen. Regulatoren der Transkription, zum Beispiel sequenzspezifische DNA-binde Proteine, sind ein zentrales Element des Genregulationsnetzwerks in den meisten Organismen. Auf Grund ihres Aufbaus sowie der daraus resultierenden spezifischen Eigenschaften DNA zu binden, werden diese Regulatoren in unterschiedliche Familien unterteilt. Bisher ist wenig darüber bekannt, wie unterschiedlich die DNA Sequenzen sein können, welche von einer Familie von Transkriptionsregulatoren gebunden werden, wie sich diese Diversität der Bindung in der Evolution über die Zeit verändert hat und ob diese unterschiedlichen Bindeaffinitäten die Biologie eines Organismus beeinflussen.
In dieser Dissertation befasse ich mich mit der Transkriptionsregulator Familie der SREBPs (sterol regulatory element binding protein) in Hefen, als Modelorganismus diente dabei Candida albicans. Die Familie der SREBPs ist vom Pilz zu den Menschen genetisch weitestgehend konserviert und repräsentiert eine Unterfamilie der Helix-loop-helix DNA-binde Proteine. Erste Chromatin-Immunpräzipitation Experimente der SREBPs in Menschen und Hefen zeigen in vivo eine Bindung an eine kanonische DNA Sequenz genannt E-box, welche von den meisten der Helix-loop-helix Proteine gebunden wird. Im Gegensatz zeigen neuere Analysen, welche mit weniger bekannten SREBPs aus Pilzen durchgeführt wurden, dass hauptsächlich nicht-kanonische DNA Sequenzen gebunden werden.
Diese Arbeit versucht die Präferenzen, mit welchen einige der wichtigsten Mitglieder der Familie der SREBPs an bestimmte DNA Sequenzen binden aufzudecken und heraus zu finden wie es innerhalb dieser Gruppe zu unterschiedlichen Bindungsaffinitäten kam. Dafür wurden phylogenetische Rekonstruktionsanalysen und aufwändige biochemische Charakterisierungen einiger der Proteine der SREBP Familie durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass die meisten der bisher charakterisierten SREBPs (in Säugetieren) es vorziehen an die E-box Sequenz zu binden, ein anderer Zweig des SREBP Familienstammbaums bevorzugt hingegen die non-E-box Sequenz, ein dritter Zweig des Stammbaums ist in der Lage beide Sequenzen mit gleicher Affinität zu binden. Das Bevorzugen einer der beiden DNA Sequenzen ist eine natürliche Eigenschaft des jeweiligen Proteins, da in Experimenten die isolierte DNA-binde Domäne der Proteine ausreichend war, um die in vivo Bindepräferenzen zu replizieren. Der Ursprung dieser beiden Gruppen (der E-box bindenden Gruppe und der Gruppe die non-E-box Sequenzen bindet) liegt wahrscheinlich in einem Protein, welches beide Sequenzen binden konnte, mit einem Vorzug für die nicht-kanonische Sequenz. Dies impliziert, dass die Gruppen entstanden sind indem sich entweder eine Präferenz des Vorgängerproteins für die nicht-kanonische Sequenz durchgesetzt hat oder, dass sich eine Präferenz für die E-box bindende Sequenz durchgesetzt hat und somit die Affinität dahingehend verschoben wurde.
Die Hauptfunktion der meisten Proteine der SREBP Familie in Eukaryoten ist die Kontrolle der Lipid Biosynthese. In meiner Arbeit habe ich mich auf die Erforschung der SREBPs in einer Gruppe von Organismen zugewandt, die auch den mit dem Menschen assoziierten Hefepilz Candida albicans umfasst. Erstaunlicherweise beeinflussen die drei SREBPs die im Candida albicans Genom zu finden sind, die Kolonisierung des Säugetierdarms, jedoch nicht durch die Kontrolle der Lipid Biosynthese. Im Folgenden werde ich beschreiben wie zwei der drei SREBPs aus Candida albicans eine regulatorische Kaskade bilden, welche Einfluss auf die Regulierung der Morphologie und der Zellwandzusammensetzung des Pilzes unter anaeroben Bedingungen hat, wohingegen das dritte Protein der SREBP Familie für die Regulierung der Glykolyse von Bedeutung ist. Ich habe festgestellt, dass die beschriebene Vielfalt mit der diese Proteine an bestimmte DNA Sequenzen binden und die damit einhergehende Expansion der regulierbaren Ziele ein wesentlicher Grund dafür ist, dass Organismen dieses Stammbaums erfolgreich Säugetiere kolonisieren können.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:18789 |
| Date | January 2019 |
| Creators | del Olmo Toledo, Valentina |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.de, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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