Regulation der stochastischen Genexpression in einzelnen Zellen durch die dynamische p53 Antwort auf genotoxischen Stress
Bioinformatik und Theoretische Biologie
Zellbiologie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der Tumorsuppressor p53 spielt eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung der Genomintegrität in Reaktion auf exogene oder endogene Stressfaktoren. Die Dynamik der p53- Aktivierung ist stimulus- und zelltypabhängig und reguliert das Zellschicksal. In seiner Funktion als Transkriptionsfaktor induziert p53 die Expression von Zielgenen, die an Apoptose, Zellzyklusarrest und DNA-Reparatur beteiligt sind. Transkription ist jedoch kein deterministischer Prozess. Promotoren wechseln stochastisch zwischen EIN- und AUS-Zuständen und die Produktion von RNA während aktiver Phasen erfolgt in Schüben, was zu einer erheblichen Variabilität von Zelle zu Zelle führt. In diesem Projekt haben wir daher single molecule fluorescence in-situ hybridization (smFISH) eingesetzt, um die Aktivierung von Zielgenpromotoren auf Einzelzell- und Einzelmolekülebene zu quantifizieren. So konnten wir nachweisen, dass p53 nach der Induktion von DNA-Doppelstrangbrüchen Zielgene hauptsächlich durch häufigere Aktivierung der Promotoren reguliert. Die Transkriptionsrate im aktiven Zustand blieb dagegen weitgehend unverändert. Zu frühen Zeitpunkten reagierten alle untersuchten Zielgene auf ähnliche Weise. Zu späteren Zeitpunkten beobachteten wir genspezifische Regulierungsmuster, die als „anhaltend“, „pulsierend“ und „vorübergehend“ klassifiziert wurden. Diese Muster wurden durch die Dynamik von p53 und seine posttranslationalen Modifikationen bestimmt. Um die Regulation der Zielgene besser zu verstehen, haben wir p53 durch andere Arten von zellulärem Stress induziert und smFISH durchgeführt. Um den resultierenden umfangreichen Datensatz zu analysieren, haben wir zusammen mit dem Labor von Heinz Köppl an der TU Darmstadt eine neuartige Methode zur Quantifizierung der stochastischen Genexpression auf der Grundlage der Bayes'schen Inferenz entwickelt. Mit dieser Kombination aus theoretischen und experimentellen Ansätzen konnten wir zusätzliche stimulus-abhängige Expressionsmuster zeigen. So wurde zum Beispiel deutlich, dass einige Zielgene unter bestimmten Umständen stärker über Veränderungen der Transkriptionsrate reguliert werden. Interessanterweise stellten wir fest, dass die Transkriptionsaktivität in vielen Situationen von der Gesamtmenge an p53 und dessen an die DNA gebundenen Anteil entkoppelt war. Dies verdeutlicht, dass die Transkriptionsregulation durch p53 ein mehrdimensionaler Prozess ist. Um eine höhere zeitliche Auflösung zu erreichen, haben wir weiterhin die Promotoraktivität in lebenden Zellen mit dem MS2-MCP-System quantifiziert. Interessanterweise beobachteten wir, dass nach DNA-Schädigung anfänglich die Promotoraktivität zunahm, während sie in späteren Zeitabschnitten stark variierte. Zusammengenommen lieferte unser Projekt Einblicke in die p53-vermittelte Transkriptionsregulation als Beispiel für einen Transkriptionsfaktor, der die zelluläre Reaktion auf DNA-Schäden beeinflusst.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Stochastic transcription in the p53‐mediated response to DNA damage is modulated by burst frequency. Molecular Systems Biology, 15(12).
Friedrich, Dhana; Friedel, Laura; Finzel, Ana; Herrmann, Andreas; Preibisch, Stephan & Loewer, Alexander
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The guardian's choice: how p53 enables context‐specific decision‐making in individual cells. The FEBS Journal, 289(1), 40-52.
Friedel, Laura & Loewer, Alexander
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Super-promoters: Cooperativity between juxtaposed promoters. Springer Science and Business Media LLC.
Wiechens, Elina; Vigliotti, Flavia; Riege, Konstantin; van Bömmel, Alena; Schwab, Katjana; Görlich, Ivonne; Bens, Martin; Schwarz, Robert; Sahm, Arne; Groth, Marco; Loewer, Alexander; Hoffmann, Steve & Fischer, Martin
