Titelaufnahme

Titel
Opposite transcriptional switching through TCF/-catenin for binary cell fate decisions in the nematode "C. elegans" and the chordate "Ciona intestinalis" / by Willi Kari
Weitere Titel
Opposite transcriptional switching through TCF/ Beta catenin for binary cell fate decisions in the nematode "C. elegans" and the chordate "Ciona intestinalis"
Gegenläufiger transkriptioneller Switch durch TCF/-catenin für binäre Zellschicksal-Entscheidungen im Nematoden "C. elegans" und im Chordaten "Ciona intestinalis" ; Neuartiger Mechanismus der TCF-Funktion
VerfasserKari, Willi
Begutachter / BegutachterinPasini, Andrea ; Endenhofer, Frank
Betreuer / BetreuerinRothbächer, Ute ; Bertrand, Vincent
ErschienenInnsbruck, September 2016
UmfangGetrennte Zählung : Illustrationen
HochschulschriftUniversität Innsbruck, Dissertation, 2016
Anmerkung
Abweichender Titel laut Übersetzung des Verfassers
Kumulative Dissertation aus fünf Artikeln
Datum der AbgabeSeptember 2016
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)-catenin / TCF / ZIC / GATA / Repression
Schlagwörter (EN)-catenin / TCF / ZIC / GATA / repression
URNurn:nbn:at:at-ubi:1-5760 Persistent Identifier (URN)
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Zusammenfassung (Deutsch)

Wnt / -Catenin / TCF-Weg ist ein wichtiger molekularer Signalweg, der eine entscheidende Rolle in der Embryonalentwicklung, Stammzellregulation und bei der Entstehung von Krebs spielt (zusammengefasst in MacDonald et al, 2009 ;. Cadigan und Peifer, 2009).

Während die meisten der direkten Zielgene dieses Signalweges in der klassischen Art reguliert werden,

«Klassische direkte Zielgene»: Repression in Abwesenheit von Wnt über TCF und seine kanonische DNA-Bindungsstellen und Aktivierung in Gegenwart von Wnt über TCF/-Catenin,

werden einige andere direkte Zielgene gegenläufig reguliert,

«Gegenläufige direkte Zielgene»: Aktivierung in Abwesenheit von Wnt über TCF und Repression in Gegenwart von Wnt über TCF/-Catenin.

Der genaue Mechanismus (auf der Ebene der DNA), durch den TCF/-Catenin Zielgene gegenläufig regulieren war unbekannt und ist eine faszinierende Frage im Forschungsfeld des Wnt-Signals, vor allem, weil cis-regulatorische Elemente von "gegenläufigen direkten Zielgenen“ keine kanonischen TCF-DNA-Bindestellen haben. Der gegenläufige Mechanismus wurde im Kontext des sich entwickelnde C. elegans-Nervensystems und des frühe Embryos von Ciona intestinalis untersucht.

Die Embryonen des Nematoden C. elegans und des Chordaten Ciona intestinalis sind prädestiniert für Studien des gegenläufigen Wnt/-Catenin/TCF-Signalwegs, sowohl auf molekularer als auch zellulärer Ebene. Erstens, ein invariantes Zellteilungsmuster, große und transparente Zellen und ein kompaktes Genom mit kurzen und einfachen cis-regulatorische Regionen ermöglichen gen-regulatorische Studien mit guter zellulärer Auflösung. Zweitens, alle beteiligten Faktoren sind vorhanden und experimentell zugänglich in den untersuchten embryonalen Geweben. Schließlich, sowohl in C. elegans als auch in Ciona intestinalis wurden Daten generiert, die die Hypothese des gegenläufigen Mechanismus untermauern.

Das zentrale Ergebnis der Dissertation ist ein neuartiger repressiver Gen-Switch, der durch -Catenin vermittelt wird und wichtig für binären Zellschicksalsentscheidungen ist. Der neuartige Mechanismus ist in C. elegans und Ciona intestinalis konzeptionell sehr ähnlich. Im Zusammenspiel mit anderen Transkriptionsfaktoren fungieren dabei -Catenin und sein Interaktionspartner TCF als Co-Repressoren von neuen Wnt/-Catenin/TCF-Zielgenen. Die Repression wird durch DNA-Bindungsstellen für einen ZIC- und GATA-Faktor, die sich in den cis-regulatorische Regionen der regulierten Zielgene befinden, vermittelt.

(1) In C. elegans blockiert -Catenin die Transkription von ttx-3 durch eine ZIC-Bindungsstelle, während TCF in Abwesenheit von -catenin die Transkription von ttx-3 aktiviert. Dafür gehen TCF und ZIC eine biochemische Bindung ein.

(2) In Ciona intestinalis blockiert -Catenin eine ganze Gruppe von GATA-Zielgenen, zfpm, efna.d, gdf1 / 3-r, tfap2-rb und fzd4. Die Blockade erfolgt an GATA-Bindungsstellen, bei der TCF/-Catenin einen ternären Komplex mit dem aktivierenden GATA-Faktor bilden. Der tri-molekulare Komplex behindert GATA an der Bindung seiner Bindungsstelle und transkriptionelle Aktivierung der Zielgene findet nicht statt.

In Anbetracht der Bedeutung des Wnt/-Catenin-Signalwegs bei der Krebsentstehung und in der Stammzellforschung wird die vorliegende Arbeit hilfreich für die Entwicklung von neuartigen Anti-Krebs-Medikamenten oder in der regenerativen Medizin sein.

Zusammenfassung (Englisch)

The Wnt/-catenin/TCF pathway is a key signaling pathway that plays crucial roles in development, stem cell regulation and cancer formation (reviewed in MacDonald et al., 2009; Cadigan and Peifer, 2009).

While most of the direct target genes of this pathway display the classical type of regulation,

« Classic direct target genes »: Repression in the absence of Wnt via TCF and its canonical binding sites, and Activation in the presence of Wnt via TCF/-catenin and its binding sites,

some other direct target genes have been observed to display the opposite regulation,

« Opposite direct target genes »: Activation in the absence of Wnt via TCF, and Repression in the presence of Wnt via TCF/-catenin.

The precise mechanism (at the level of DNA) by which TCF/-catenin mediate this opposite regulation was unknown and is an intriguing question in the Wnt signaling field, especially because cis-regulatory elements of “opposite direct target” genes bear binding sites other than the ones usually bound by the TCF transcription factor. In the presented study the developing C. elegans nervous system and the early embryo of Ciona intestinalis were used to study the mechanism of opposite gene switching by TCF/-catenin.

The embryos of the nematode C. elegans and the chordate Ciona intestinalis are predestined to study Wnt/TCF/-catenin-mediated opposite transcriptional gene switching at both the molecular and cellular level. Firstly, an invariant cell cleavage pattern, large and transparent cells and a well-annotated compact genome with short and simple cis-regulatory regions facilitate gene regulation studies at a good cellular resolution. Secondly, involved factors are present and experimentally accessible in the embryonic tissues at the according developmental stages. Finally, in both C. elegans and Ciona intestinalis evidences have been generated that support the hypotheses for the opposite TCF/-catenin transcriptional switching.

The central finding of the Ph.D. thesis is a novel repressive function of -catenin in transcriptional regulation that is important for binary cell fate decisions and conceptually very similar in C. elegans and Ciona intestinalis and. Thereby, -catenin and its partner TCF act as co-repressors of novel Wnt/-catenin/TCF target genes at non-canonical TCF binding sites in their cis-regulatory regions, notably ZIC and GATA binding sites.

(1) In C. elegans, -catenin represses the transcription of ttx-3 through a ZIC binding site, while TCF alone activates ttx-3 for which a biochemical interaction of TCF and ZIC is required.

(2) In Ciona intestinalis, -catenin suppresses a whole panel of GATA target genes, zfpm, efna.d, gdf1/3-r, tfap2-r.b and fzd4 at GATA sites for which TCF/-catenin form a ternary complex with the activating GATA-factor that prevents GATA from binding its sites for transcriptional activation.

Given the crucial importance of the Wnt/-catenin pathway in cancer and stem cell biology the presented work will be helpful for anti-cancer drug development or regenerative medicine treatment.