Genomic approach to organ-specific growth control

Growth is a fundamental aspect of life cycle of all organisms. Body size varies highly in most animal groups, such as mammals. Moreover, growth of a multicellular organism is not uniform enlargement of size, but different body parts and organs grow to their characteristic sizes at different times. Currently very little is known about the molecular mechanisms governing this organ-specific growth. The genome sequencing projects have provided complete genomic DNA sequences of several species over the past decade. The amount of genomic sequence information, including sequence variants within species, is constantly increasing. Based on the universal genetic code, we can make sense of this sequence information as far as it codes proteins. However, less is known about the molecular mechanisms that control expression of genes, and about the variations in gene expression that underlie many pathological states in humans. This is caused in part by lack of information about the second genetic code that consists of the binding specificities of transcription factors and the combinatorial code by which transcription factor binding sites are assembled to form tissue-specific and/or ligand-regulated enhancer elements. This thesis presents a high-throughput assay for identification of transcription factor binding specificities, which were then used to measure the DNA binding profiles of transcription factors involved in growth control. We developed ‘enhancer element locator’, a computational tool, which can be used to predict functional enhancer elements. A genome-wide prediction of human and mouse enhancer elements generated a large database of enhancer elements. This database can be used to identify target genes of signaling pathways, and to predict activated transcription factors based on changes in gene expression. Predictions validated in transgenic mouse embryos revealed the presence of multiple tissue-specific enhancers in mouse c- and N-Myc genes, which has implications to organ specific growth control and tumor type specificity of oncogenes. Furthermore, we were able to locate a variation in a single nucleotide, which carries a susceptibility to colorectal cancer, to an enhancer element and propose a mechanism by which this SNP might be involved in generation of colorectal cancer.

Kasvu on olennainen osa kaikkien eliöiden elinkaarta. Eläinten koko vaihtelee lajien välillä huomattavasti useimmissa eläinryhmissä, kuten esimerkiksi nisäkkäissä. Hedelmöittyneen munasolun kehittyessä monisoluiseksi yksilöksi kasvavat elimet oikeaan kokoonsa. Monisoluisten eliöiden kasvaessa niiden koko ei suurene tasaisesti, vaan eri ruumiinosat ja elimet kasvavat lajityypillisen kokoisiksi kehityksen eri vaiheissa. Tällä hetkellä tiedetään hyvin vähän molekyylitason mekanismeista, jotka säätelevät elinkohtaista kasvua. Viimeisen kymmenen vuoden aikana on sekvensoitu useiden lajien genomit. Genominlaajuisen sekvenssitiedon määrä kasvaa jatkuvasti, ja se sisältää tietoa myös lajien sisäisistä sekvenssivariaatioista. Universaalin geneettisen koodin perusteella pystymme lukemaan ja ymmärtämään saatavilla olevaa DNA-sekvenssitietoa niiltä osin kuin se koodaa proteiineja. Huomattavasti vähemmän tiedetään mekanismeista, jotka säätelevät geenien luentaa DNA:sta ja säätelyn variaatioista, jotka ihmisellä aiheuttavat sairauksia. Ylipäänsä tiedämme vähän niin kutsutusta ”toisesta geneettisestä koodista”. ”Toinen geneettinen koodi” koostuu transkriptiotekijöiden tunnistesekvensseistä ja yhdistelmäkoodista, jonka mukaan transkriptiotekijöiden sitoutumispaikat muodostavat geenien luentaa sääteleviä tehostajajaksoja. Väitöskirjan tuloksissa kuvataan ensin tehoseulontamenetelmä transkriptiotekijöiden sitoutumisspesifisyyden mittaamiseen. Tätä menetelmää käyttäen määritettiin DNA- sitoutumisprofiilit useille kasvun säätelyssä keskeisille transkriptiotekijöille. Kehitimme myös tietokoneohjelman nimeltä EEL tehostajajaksojen etsimiseen genomisesta DNA-sekvenssistä. Teimme genominlaajuisen ennusteen hiiren ja ihmisen tehostajajaksoista. Löysimme c-Myc ja N-Myc –geenien alueelta useita tehostajajaksoja, jotka ohjaavat geenien ilmenemisen tiettyyn kudokseen. Tulokset auttavat selittämään elinkohtaista kasvunsäätelyä ja onkogeenien kasvainspesifisyyttä. Lisäksi määritimme, että ihmisen paksunsuolen syöpään altistava yhden nukleotidin variaatio sijaitsee tehostajajaksossa ja esitimme mekanismin, jolla tämä yhden nukleotidin muutos voi vaikuttaa syövän syntyyn.