Hox Control of Morphogenesis via Co-Evolution of Numbers and Affinities of Hox Binding Sites with Transcription Factor Concentrations

• Antragstellerin: Professorin Dr. Ingrid Lohmann
• Fachliche Zuordnung: Entwicklungsbiologie
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 158148543

Hox Transkriptionsfaktoren (TFs) realisieren die morphologische Diversifizierung von Körpersegmenten entlang der anterior-posterioren (A/P) Achse durch einen hohen Level an transkriptioneller Spezifität. Die präzise Zuweisung von morphologischen Merkmalen in vivo steht im Gegensatz zur geringen DNA Bindestringenz von Hox TFs in vitro, da sie mit dergleichen DNA Konsensus-Sequenz interagieren. Es ist offensichtlich, dass andere regulatorische Proteine und Unterschiede in den Bindesequenzen, im Speziellen niedrig-affine Bindestellen, eine kritische Rolle spielen, um Hox Proteinen regulatorische Spezifität zu verleihen. Aber obwohl die Beteiligung von niedrig-affinen Hox Bindestellen unser Verständnis der Hox in vivo Funktion verbessert hat, bleiben einige wichtige Fragen unbeantwortet. Insbesondere ist der Beitrag von hoch- und niedrig-affinen Bindestellen an der Zielgen-Regulation und Morphogenese unklar, auch welche Rolle variable Expressionslevel von Hox TFs spielen und ob andere Homeodomän TFs dengleichen Trade-off Mechanismus verwenden und damit an der Evolution von verschiedenen Klassen an Hox Bindestellen beteiligt sind.Um diese Fragen zu beantworten, nutzen wir die Regulation von AP-2 durch den Hox TF Deformed (Dfd). Diese regulatorische Interaktion ist abhängig von hoch- und niedrig-affinen Hox Bindestelllen, kontrolliert ein morphologische Merkmal, die maxillaren Zirren, und findet in Zellen statt, die sowohl Dfd als auch andere Homeodomain TFs exprimieren. Wir analysieren nun, den AP-2 Enhancer, indem wir die Anzahl und Affinität der Hox Bindestellen verändern, die Expressionslevel von Dfd regional variieren und den transkriptionellen Effekt in Reporter-basierten Assays quantifizieren. Zudem testen wir die Beteiligung anderer Homeodomän TFs an der AP-2 Transkription durch Domän-spezifische Überexpression und Knock-down Experimenten. Wir studieren die Rolle dieser Enhancer Merkmale bei der Morphogenese, indem wir die Ausbildung der maxillaren Zirri in UAS-GAL4 basierten Rettungsexperimenten und am endogenen Lokus durch CRISPR/Cas9 analysieren. Schließlich entwickeln wir einen proteomischen Ansatz, EnhanceProteome, um alle Proteine, die mit dem AP-2 Enhancer interagieren, identifizieren und werden ihre Beteiligung an der Dfd-abhängigen AP-2 Reguation in Zukunft testen. Zusammenfassend wird diese Studie kritische Einblicke liefern, wie Hox TFs ihre Zielgene kontrollieren, da unser Ansatz niedrig- und hoch-affine Hox Bindestellen und ihre Anzahl berücksichtigt und wir ihre Relevanz für die organismische Fitness untersuchen werden. Zudem wird diese Studie dazu beitragen, das Affinität-Spezifität-Modell rigoros zu testen und auf die gesamte Klasse der Homeodomän TFs auszudehnen. Und schließlich werden wir eine effiziente Methode entwickeln, um alle Proteine, die mit einem einzelnen Enhancer in vivo interagieren, entwickeln, was neue Wege im Feld der transkriptionellen Regulation eröffnen wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen