Einige biologische Prozesse sind dosisabhängig, wobei nicht nur die Anwesenheit oder Abwesenheit bestimmter Genprodukte, sondern auch deren spezifische Mengen wichtig sind. Ein Beispiel ist die Dosis-Kompensation für Geschlechtschromosomen bei Säugetieren, die durch X-Chromosomen-Inaktivierung erreicht wird. Dieser Mechanismus ist auf Frauen beschränkt, da sie zwei X-Chromosomen besitzen, im Gegensatz zu Männern mit nur einem X-Chromosom.
Dosisabhängigkeit spielt auch bei der Differenzierung pluripotenter Stammzellen eine Rolle. Geringe Schwankungen in der Menge des Pluripotenzfaktors OCT4 (POU5F1) können bestimmen, ob Maus-Embryonale Stammzellen (mESCs) sich in das Trophektoderm oder in meso-endodermale Linien differenzieren. Ebenso ist die Menge des Pluripotenzfaktors NANOG entscheidend für die Steuerung der naiven und vorbereiteten pluripotenten Zustände.
Das Verständnis der dosisabhängigen Regulation biologischer Prozesse ist entscheidend, jedoch technisch anspruchsvoll, da es erfordert, die Proteinmenge quantitativ zu modulieren. Hier wurde ein auf Degron- und CRISPR/Cas-basiertes Toolkit, CasTuner, entwickelt, um die endogene Genexpression analog zu steuern. CasTuner basiert auf Cas-abgeleiteten Repressoren, die an eine Degron-Domäne fusioniert sind und durch die Titration der Konzentration eines Liganden gesteuert werden können.
CasTuner ermöglicht eine homogene (analoge) Steuerung der Genexpression, im Gegensatz zum KRAB-basierten CRISPRi-System, das eine bimodale (digitale) Repression zeigt. Mit CasTuner wurden die Dosis-Wirkungs-Beziehungen von NANOG und OCT4 mit ihren Zielgenen und dem zellulären Phänotyp gemessen. Schließlich wurde CasTuner eingesetzt, um die dosisabhängige Rolle des X-gebundenen Xist-Aktivators RNF12 und des neu entdeckten Faktors ZIC3 zu untersuchen. Dabei wurde ein modifiziertes Modell für die zufällige X-Chromosomen-Inaktivierung vorgeschlagen. / Certain biological processes are dose-dependent, depending not only on the
presence or absence of given gene products but also on their specific. The importance of quantitative regulation of gene expression is illustrated by the need for dosage compensation for sex chromosomes and by the presence of genes whose decreased expression is linked to diseases. The mechanism by which mammals achieve X-dosage compensation, X-chromosome inactivation, is itself dose-dependent, being restricted to females through sensing the two-fold higher dose for X-linked genes in females compared to males. Dose-dependency has been described in the differentiation of pluripotent stem cells into different lineages: small variations in the quantity of the pluripotency factor OCT4 (POU5F1) can determine the differentiation of mouse embryonic stem cells (mESCs) into the trophectoderm or meso-endoderm lineages. Similarly, the amount of the pluripotency factor NANOG is critical for the control of naïve and primed pluripotent states. Understanding the principles underlying the dose-dependent regulation of biological processes is crucial, but also technically challenging, since it requires the ability to quantitatively modulate protein abundance. Here, I developed a degron- and CRISPR/Cas-based toolkit, CasTuner, for analogue tuning of endogenous gene expression. CasTuner relies on Cas-derived repressors fused to a degron domain, which can be tuned by titrating the concentration of a ligand. I demonstrate homogenous (analogue) tuning of gene expression across cells, as opposed to the KRAB-based CRISPRi system, which exhibits bimodal (digital) repression. I employ CasTuner to measure the dose-response relationships of NANOG and OCT4 with their target genes and the cellular phenotype. Finally, I apply CasTuner to study the dose-dependent role of the X-linked Xist activator RNF12 and the newly discovered factor ZIC3, and propose a modified model for random X-chromosome inactivation.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:HUMBOLT/oai:edoc.hu-berlin.de:18452/30006 |
| Date | 16 September 2024 |
| Creators | Noviello, Gemma |
| Contributors | Mazza, Davide, Ringrose, Leonie, Schulz, Edda |
| Publisher | Humboldt-Universität zu Berlin |
| Source Sets | Humboldt University of Berlin |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | doctoralThesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | (CC BY-NC-ND 4.0) Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International, https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ |
| Relation | 10.1038/s41467-023-38909-4 |
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