Non-additive control of gene expression by long-range interactions between multiple regulatory elements
通过多个调控元件之间的长程相互作用对基因表达进行非加性控制
基本信息
- 批准号:9795831
- 负责人:
- 金额:$ 20.85万
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:
- 财政年份:
- 资助国家:美国
- 起止时间:至
- 项目状态:未结题
- 来源:
- 关键词:3-DimensionalATAC-seqAdultArchitectureBehaviorBiological ModelsCRISPR/Cas technologyCarbonCell LineCellsCenters of Research ExcellenceChIP-seqChromatinChromatin LoopChromatin StructureComplementComplexDNA SequenceDataDevelopmentDevelopmental GeneDiseaseDistalEnhancersEpigenetic ProcessGene ExpressionGene Expression ProfileGene Expression RegulationGenesGenomicsHomeostasisIndividualKnowledgeLocationMalignant NeoplasmsMeasurementMeasuresMechanicsMediatingMediator of activation proteinModelingMolecularMolecular ConformationMutateMutationMyeloid CellsNucleosomesPathologyPositioning AttributeRegulationRegulatory ElementSchemeSignal TransductionSiteTestingThermodynamicsTimeTransgenic OrganismsVariantchromosome conformation capturecohesindesignepigenomicsexperimental studyfunctional genomicsmathematical modelmutantneutrophilnovelpredictive modelingpromoterresponsesuccesssynergismsynthetic biologysynthetic constructtranscription factortumorigenesis
项目摘要
Summary
This project has two broad objectives. The first is to discover the rules by which genes are co-regulated by mul-
tiple enhancers in complex mammalian loci. Multiple enhancers produce non-additive responses by interfering
with each other's function. The project seeks to uncover the epigenetic and chromatin-structure basis of enhancer
interference. The second objective is to develop a new class of mathematical models capable of simulating the
regulation of multi-enhancer loci by simulating enhancer interference resulting from enhancer-promoter looping.
The studies will utilize Cebpa, which encodes a transcription factor necessary for neutrophil development, as
a model system. The approach combines aspects of synthetic biology, functional genomics, and mathematical
modeling. In Aim 1, several transgenic myeloid cell lines, each carrying a variant of a synthetic locus in a heterol-
ogous genomic location, will be constructed. The synthetic loci will be composed of the Cebpa promoter and two
enhancers, whose strength will be varied by altering their sequence composition with the aid of a predictive math-
ematical model of gene regulation. The response of the co-regulated gene to varying combinations of enhancer
inputs will be measured to ascertain the rules of co-regulation. The hypothesis that enhancers interfere with
each other via chromatin looping will be tested using chromosome conformation capture and the measurement
of Mediator/Cohesin occupancy at the regulatory elements. An alternative hypothesis, that enhancers interfere by
directly modifying the epigenetic state of other enhancers, will be tested by profiling chromatin accessibility and
nucleosome positioning. These experiments will allow a causal analysis of enhancer interference by measuring
alterations in the epigenetic state of one enhancer as a result of mutations introduced into another. Aim 2 is to
build a mathematical model that can predict the expression of a two-enhancer locus. The proposed model will
explicitly incorporate chromatin looping using a statistical mechanical framework and the chromatin conformation
data acquired in Aim 1. The synthetic biology approach of Aim 1 will be complemented in Aim 3 by investigating
enhancer interference in the endogenous Cebpa locus. Whether Cebpa enhancers modify the global chromatin
conformation of the locus will be determined by editing an enhancer using CRISPR/Cas9 and profiling 3D chro-
matin architecture and epigenetic state. Success in these objectives will help advance our understanding of
mis-regulation of genes during oncogenesis and, in the long-term, allow us to computationally predict aberrant
gene expression patterns driven by mutated DNA sequence.
概括
该项目有两大目标。首先是发现多因素共同调控基因的规则。
复杂哺乳动物基因座中的tiple增强子。多个增强子通过干扰产生非加性反应
与彼此的功能。该项目旨在揭示增强子的表观遗传和染色质结构基础
干涉。第二个目标是开发一类能够模拟的新型数学模型
通过模拟增强子-启动子环路产生的增强子干扰来调节多增强子基因座。
这些研究将利用 Cebpa,它编码中性粒细胞发育所需的转录因子,因为
一个模型系统。该方法结合了合成生物学、功能基因组学和数学的各个方面
造型。在目标 1 中,几种转基因骨髓细胞系,每种都携带杂醇合成基因座的变体
将构建相应的基因组位置。合成基因座将由 Cebpa 启动子和两个
增强子,其强度将通过在预测数学的帮助下改变其序列组成而改变
基因调控的数学模型。共调控基因对不同增强子组合的反应
将衡量投入以确定共同监管的规则。增强子干扰的假设
将使用染色体构象捕获和测量通过染色质环相互进行测试
调节元件中介体/粘连蛋白的占用率。另一种假设是,增强子通过以下方式干扰
直接修改其他增强子的表观遗传状态,将通过分析染色质可及性和
核小体定位。这些实验将通过测量增强子干扰来进行因果分析
由于引入另一个增强子的突变而导致一个增强子的表观遗传状态发生改变。目标 2 是
建立一个可以预测两个增强子基因座表达的数学模型。拟议的模型将
使用统计机械框架和染色质构象明确整合染色质环
目标 1 中获得的数据。目标 1 的合成生物学方法将通过调查在目标 3 中得到补充
增强子干扰内源性 Cebpa 基因座。 Cebpa 增强子是否修饰全局染色质
该基因座的构象将通过使用 CRISPR/Cas9 编辑增强子并分析 3D 染色体来确定。
晨间结构和表观遗传状态。这些目标的成功将有助于加深我们对
肿瘤发生过程中基因的错误调节,从长远来看,使我们能够通过计算来预测异常
由突变的 DNA 序列驱动的基因表达模式。
项目成果
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