Tandem repetitive DNA: Stabilität und Wirkung auf die Genexpression im transgenen System

Zusammenfassung In der vorliegenden Arbeit wurden unterschiedliche Eigenschaften von tandem repetitiver DNA (trDNA) analysiert. Drei der untersuchten trDNA-Familien (Cla-Elemente, Alu-Elemente, 1,688-Satelliten-DNA) stammen aus der genomischen DNA von Insekten, während ein trDNA-Cluster artifiziell aus Hsp70 Promotoren hergestellt wurde. Untersucht wurde die Stabilität dieser trDNA-Sequenzfamilien innerhalb eines Plasmidvektors in E. coli bzw. nach Integration der trDNA auch im Genom von D. melanogaster. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt jedoch in der Analyse des Einflusses von trDNA auf die Expression eines benachbarten Reportergens in D. melanogaster.Ziel der Untersuchungen zur Stabilität war es, Eigenschaften von trDNA-Clustern und Mechanismen aufzuzeigen, die die Stabilität derselben in E. coli und im Genom von D. melanogaster beeinflussen. Mit Ausnahme der Alu-Elemente zeigen alle trDNA-Familien eine deutliche Instabilität in E. coli. Am Beispiel der Cla-Elemente wurde gezeigt, daß spezifische Eigenschaften der trDNA-Familie, wie etwa die sequenzbedingte Krümmung der Helixachse, keinen Einfluß auf die Stabilität des trDNA-Clusters haben, sondern die Orientierung des trDNA-Clusters innerhalb des Vektors ausschlaggebend ist. Ein entscheidender Faktor könnte die Orientierung des trDNA-Clusters relativ zur Wanderungsrichtung der Replikationsgabel in E. coli sein. Am Beispiel des trDNA-Clusters aus artifiziellen Hsp70 Promotoren konnte gezeigt werden, daß verschiedene Rekombinationssysteme an der Instabilität in E. coli beteiligt sind. Die meisten beobachteten Deletionen von trDNA sind RecA-abhängig. Zusätzlich findet jedoch in einem kleinen Teil der Plasmide auch eine RecA-unabhängige Rekombination statt. Sowohl in E. coli als auch in D. melanogaster wurde als vorherrschender Mechanismus der trDNA-Instabilität die homologe Rekombination identifiziert. TrDNA-Cluster, die in E. coli deutlich instabil sind, können jedoch im Genom von D. melanogaster weitgehend stabil sein. Auch Faktoren, die in E. coli die Stabilität eines trDNA-Clusters beeinflussen, wie etwa die Orientierung, zeigen in D. melanogaster keinen Einfluß auf die Stabilität der trDNA-Cluster. Ergebnisse aus Stabilitätsuntersuchungen in E. coli können damit nicht ohne Überprüfung auf andere Organismen übertragen werden. Im Hauptteil der Arbeit sollte geklärt werden, ob trDNA generell die Expression benachbarter Gene beeinflußt und welche Eigenschaften der trDNA für diesen inhibitorischen oder stimulierenden Effekt verantwortlich sind. Keine der untersuchten trDNA-Familien zeigt einen inhibitorischen Effekt auf ein benachbartes Reportergen. Entgegen dem Modell von Dorer und Henikoff (1994) führen trDNA-Cluster nicht per se zu der Entstehung von Heterochromatin. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen, daß sowohl ein trDNA-Cluster aus Cla-Elementen als auch aus Hsp70 Promotor-Elementen eine deutliche Steigerung der Expression des miniwhite-Reportergens bewirken. Diese Steigerung ist für beide trDNA-Familien unabhängig von der chromosomalen Lage des Transgens im Euchromatin. In beiden Fällen ist der Effekt von der Orientierung des trDNA-Clusters abhängig und verstärkt sich mit wachsender Kopienzahl der trDNA-Einheiten. Während eines der trDNA-Cluster aus trDNA-Einheiten besteht, die bekanntermaßen eine Promotoraktivität aufweisen (Hsp70 Promotoren), war für die Cla-Elemente kein Einfluß auf die Expression eines benachbarten Gens bekannt. Damit wurde für eine trDNA-Familie aus Chironomus nachgewiesen, daß sie auf ein benachbartes Gen ähnlich wirkt wie zusätzliche Promotoren. Die experimentellen Befunde unterstützen ein Modell, demzufolge die Cla-Elemente in gleicher Weise wie tandem repetitive Promotoren auf ein benachbartes Gen expressionssteigernd wirken. Die TATA-Box ist für das Modell ein wichtiges Strukturelement, da diese in beiden expressionssteigernden DNA-Sequenzen der trDNA-Cluster vorkommt und ausschließlich in einer Orientierung wirkt. Das Modell besagt, daß durch die Verbindung einer offenen Chromatinstruktur mit korrekt orientierten Bindungsstellen für TBP der Aufbau von vollständigen Transkriptionskomplexen an den tandem repetitiven Promotoren initiiert wird. Einer Perlenschnur ähnlich wären die Transkriptionskomplexe direkt verfügbar, nachdem ein Transkriptionskomplex den Promotor zur Transkription verlassen hat (Abb. 32). Dies würde zu der beobachteten Steigerung der Expression des Reportergens sowohl durch die tandem repetitiven Hsp70 Promotoren als auch durch die Cla-Elemente führen.

Struktur, Funktion und potentielle Anwendung der PKC- und SNZ,SNO-Promotoren aus Geodia cydonium und Suberites domuncula

Die Schwämme (Porifera) sind eine reiche Quelle bioaktiver Naturstoffe. Viele dieser Naturstoffe besitzen das Potential, als Pharmazeutika, molekulare Sonden usw. eingesetzt oder weiterentwickelt zu werden. Die Beschaffung dieser Naturstoffe in ausreichenden Mengen stellt jedoch eines der größten Probleme bei der Testung und Produktion vielversprechender Substanzen dar. Der Transfer von DNA in Schwammzellen bzw. in komplette Organismen wäre ein vielversprechender Ansatz, dieses Problem zu lösen. Das Ziel dieser Arbeit war es deshalb, die Funktion und Struktur homologer Promotoren zu untersuchen und eine Methode des Gentransfers in Schwammzellen auszuarbeiten. Zu diesem Zweck wurde zusätzlich zu der bereits vorhandenen 5'-flankierenden Region des conventional PKC-Gens aus Geodia cydonium eine genomische Bibliothek von Suberites domuncula konstruiert, um diese mit Hilfe des DNA-Homologiescreenings nach den 5'-flankierenden Regionen des cPKC- und des SNZ (SnooZe)-Gens (SD_SNZG) zu durchsuchen. Die Klonierung und Sequenzierung sowohl des 5'-Bereichs als auch die Charakterisierung der Exon-Intron Struktur beider Gene wurde erfolgreich durchgeführt. In der 5'-Region des SNZ-Gens konnte dabei ein weiteres Gen (SD_SNO; SNZ proximal Open Reading Frame) identifiziert werden, das in einer 'Kopf-an-Kopf' Anordnung zu SD_SNZG orientiert ist. Sowohl SD_SNZG als auch SD_SNO wurden hochkonservierten Genfamilien zugeordnet, deren Vorkommen in Metazoen hier erstmals beschrieben wird.Funktionelle Studien mit Hilfe der Reportergene Luciferase und Enhanced Green Fluorescent Protein (EGFP) im heterologen System der NIH 3T3 Zellen wiesen sowohl dem cPKC-Promotor aus G. cydonium als auch dem SNZ-Promotor aus S. domuncula eine starke Promotoraktivität im Verhältnis zum SV40-Promotor nach. Die Aktivität des cPKC-Promotors aus S. domuncula dagegen war relativ schwach. Darüber hinaus konnte geklärt werden, daß die 5'-flankierende Region des SNZ-Gens bidirektionale Promotoraktivität aufweist und daß der G. cydonium cPKC-Promotor keine TATA-Box besitzt, sondern eine GC-Box für die basale Funktion benötigt.Als geeignete Methode zur Transfektion von Zellen des Schwamms S. domuncula erwies sich der ballistische Gentransfer mit Hilfe der Gene Gun. Homologe Promotoren konnten die sichtbare Expression des Reportergens EGFP jedoch nicht bewirken. Nur der virale CMV-Promotor erwies sich als hierfür geeignet.

Genomische Struktur und Promotorcharakterisierung des humanen ADAM10-Gens

Das ADAM10-Gen kodiert für eine membrangebundene Disintegrin-Metalloproteinase, die das Amyloidvorläuferprotein spaltet. Im Mausmodell konnte bewiesen werden, dass die Überexpression von ADAM10 die Plaquebildung vermindern und das Langzeitgedächtnis verbessert. Aus diesem Grund ist es für einen möglichen Therapieansatz für die Alzheimer’sche Erkrankung erforderlich, die Organisation des humanen ADAM10-Gens und seines Promotors aufzuklären. Beim Vergleich der genomischen Sequenzen von humanem und murinem ADAM10 zeigte sich eine hohe Übereinstimmung. Beide Gene umfassen 160 kbp und bestehen aus 16 Exons. Die ersten 500 bp stromaufwärts vom Translationsstartpunkt zwischen dem Menschen, der Maus und der Ratte sind hoch konserviert. Diese Region beinhaltet spezifische regulatorische Elemente, die die ADAM10-Transkription modulieren. In den ersten 2179 bp stromaufwärts vom humanen ADAM10-Translationsstartpunkt fanden sich einige potentiellen Transkriptionsfaktor-bindungsstellen (Brn-2, SREBP, Oct-1, Creb1/cJun, USF, Maz, MZF-1, NFkB und CDPCR3HD). Es wurde eine charakteristische GC-Box und eine CAAT-Box, aber keine TATA-Box identifiziert. Nach Klonierung dieser 2179 bp großen Region wurde eine starke Promotoraktivität, insbesondere in neuronalen Zelllinien, gefunden. Bei der Analyse von Deletionskonstrukten wurde die Region zwischen -508 und -300 als essentiell für die Transkriptionsaktivierung bestimmt. Die Promotoraktivität wird zudem streng herunterreguliert, wenn in die Region 317 bp stromaufwärts vom Startpunkt der Translation eine Punktmutation eingeführt wird. Diese per Computeranalyse als USF-Bindungsstelle deklarierte Region spielt eine zentrale Rolle bei der ADAM10-Transkription. Im EMSA wurde eine Protein-DNA-Interaktion für diese Region gezeigt. Durch transienten Transfektionen in Schneider Drosophila Insektenzellen konnte nachgewiesen werden, dass die Überexpression von Sp1 und USp3 für die ADAM10-Promotoraktivität entscheidend ist. In EMSA-Studien bestätigte sich eine Protein-DNA-Interaktion für die Region -366 bp stromaufwärts vom Translationsstartpunkt. Die Punktmutation in der CAAT-Box veränderte die die Promotoraktivität nicht. Da weiterhin für diese potentielle Bindungsstelle kein Bindungsfaktor vorausgesagt wurde, scheint die CAAT-Box keine Bedeutung bei der Promotorregulation zu spielen. Schließlich fand sich im EMSA eine Protein-DNA-Interaktion für die Bindungsstelle 203 bp stromaufwärts vom Translationsstartpunkt. Diese in Computeranalysen als RXR-Bindungsstelle identifizierte Region ist ebenfalls von Bedeutung in der Promotorregulation. Auf der Suche nach Substanzen, die die ADAM10-Promotoraktivität beeinflussen, wurde ein negativer Effekt durch die apoptoseauslösende Substanz Camptothecin und ein positiver Effekt durch die zelldifferenzierungsauslösende Substanz all-trans Retinsäure festgestellt. Mit dieser Arbeit wurde die genomische Organisation des ADAM10-Gens zusammen mit dem zugehörigen Promotor aufgeklärt und ein neuer Regulationsmechanismus für die Hochregulation der Expression der alpha-Sekretase ADAM10 gefunden. Im Weiteren sollen nun die genauen Mechanismen bei der Hochregulation der alpha-Sekretase ADAM10 durch Retinsäure untersucht und durch Mikroarray-Analysen an RNA-Proben transgener Mäuse, welche ADAM10 überexpremieren, neue therapeutische Ansätze zur Behandlung der Alzheimer´schen Erkrankung identifiziert werden.

Differentielle Expression und molekulare Evolution von Mollusken-Hämocyanin

Molekularbiologische und biochemische Untersuchungen an den zwei Gastropoden-Arten Haliotis tuberculata und Haliotis asinina zeigten, dass diese jeweils zwei unterscheidbare Hämocyanin-Isoformen (HtH1/HaH1 und HtH2/HaH2) besitzen, die in unterschiedlichen Mengen in der Hämolymphe vorkommen. In situ-Hybridisierungsversuche an H. asinina ergaben, dass die beiden Hämocyanin-Isoformen sowohl entwicklungsspezifisch als auch gewebsspezifisch exprimiert werden. Die Transkription der Hämocyanin-Gene setzt bereits 9 Stunden nach der Befruchtung ein und ist von diesem Zeitpunkt an in allen Stadien der Larvalentwicklung nachweisbar. Während dieser Entwicklungsphase sind die Expressionsmuster der beiden Isoformen weitgehend überlappend, wohingegen in adulten Tieren in verschiedenen Geweben isoformspezifische Expressionsmuster auftreten. Diese Ergebnisse deuten auf funktionelle Unterschiede der beiden Hämocyanin-Isoformen hin, und somit darauf, dass Hämocyanin neben dem Transport von Sauerstoff noch weitere Funktionen ausüben könnte (Streit et al., 2005). Weiterhin wurden Untersuchungen zur Primär- und Sekundärstruktur der Hämocyanine aus H. tuberculata und zwei weiteren Arten (Megathura crenulata und Aplysia californica) durchgeführt. Von den Vetigastropoden M. crenulata und H. tuberculata konnten die für die beiden Hämocyanin-Isoformen kodierenden cDNA-Sequenzen vervollständigt werden. Von HtH1 und HtH2 wurden zudem die Gensequenzen komplettiert. Die Sequenzen des KLH1-Gens wurden bis auf 24 bp der 5’UTR und die für das Signalpeptid 1 kodierenden 33 bp ermittelt. Erstmals ist es gelungen, Promotorsequenzen von Mollusken-Hämocyanin-Genen zu sequenzieren. Für HtH2 wurden 181 bp und für KLH2 906 bp des Promotors analysiert. Beide Gensequenzen weisen das konservierte Sequenzmotiv der TATA-Box auf. Wie bei H. tuberculata treten auch bei M. crenulata die beiden Isoformen in unterschiedlichen Mengenverhältnissen in der Hämolymphe auf. In den bisher analysierten Sequenzen dieser beiden Gastropoden konnten keine regulatorischen Elemente identifiziert werden, welche die differentielle Expression bedingen könnten. Die Genstruktur des Hämocyanins von A. californica konnte ebenfalls aufgeklärt werden. Die kodierenden Bereiche des AcH-Gens werden durch insgesamt 45 interne Introns fragmentiert. Im Gen liegen neun Insertionspositionen vor, in denen paraloge Introns inserieren. Zudem sind neun Introns ortholog zu internen Introns anderer Mollusken-Hämocyanin-Gene. Im Fall der paralogen und orthologen Introns handelt es sich um sehr ursprüngliche Introns, die bereits vor der Radiation der Mollusken inserierten. Damit widerlegen diese Ergebnisse die bisherige Annahme („Intron late”-Hypothese), der zufolge die Insertion interner Introns erst nach der Trennung der Gastropoden und Cephalopoden eingesetzt haben soll. Im Zuge dieser Sequenzanalysen ergaben sich zudem Hinweise auf die Existenz einer weiteren AcH-Isoform, da 13 Fragmente ermittelt wurden, die in den kodierenden Bereichen Sequenzunterschiede von bis zu 20% zu AcH 1 aufweisen. Die detaillierten Studien der Haliotis-Hämocyanine deckten einen weitreichenden phylogenetischen Informationsgehalt der Hämocyanin-Sequenzen auf. In weiterführenden Analysen wurden Teilsequenzen der Hämocyanin-Gene von 12 verschiedenen Haliotis-Arten amplifiziert. Der daraus rekonstruierte Stammbaum liefert entsprechend spezifischer Indels eine deutliche Auftrennung der Haliotidae in eine nordpazifische und eine europäischaustralasische Abstammungslinie. Anhand dieser Analyse lassen sich der phylogeographische Ursprung der Haliotiden aufzeigen (Streit et al., 2006) und deren Wanderungsbewegungen nachvollziehen. Hämocyanin-Daten wurden des Weiteren für phylogenetische Analysen auf höherem taxonomischem Niveau eingesetzt. Innerhalb der Klasse der Polyplacophoren wurden interfamiliäre Verwandtschaftsverhältnisse rekonstruiert. Für diese Analyse wurden Teilsequenzen der Hämocyanin-Gene 17 unterschiedlicher Arten ermittelt. Die phylogenetische Untersuchung zeigt, dass sich die Polyplacophoren eindeutig in die beiden Ordnungen der Lepidopleurida und Chitonida auftrennen, da die Chitonida eine spezifische „Deletion” aufweisen. Anhand dieses Merkmals kann auch Callochiton bouveti, der diese „Deletion” besitzt und dessen phylogenetische Einordnung bisweilen umstritten war, eindeutig den Chitonida zugeordnet werden. Innerhalb der Chitonida bilden sowohl die Chitonina als auch die Acanthochitonina monophyletische Gruppen.

Identification of the p53 family-responsive element in the promoter region of the tumor suppressor gene hypermethylated in cancer 1

The tumor suppressor gene hypermethylated in cancer 1 (HIC1), located on human chromosome 17p13.3, is frequently silenced in cancer by epigenetic mechanisms. Hypermethylated in cancer 1 belongs to the bric à brac/poxviruses and zinc-finger family of transcription factors and acts by repressing target gene expression. It has been shown that enforced p53 expression leads to increased HIC1 mRNA, and recent data suggest that p53 and Hic1 cooperate in tumorigenesis. In order to elucidate the regulation of HIC1 expression, we have analysed the HIC1 promoter region for p53-dependent induction of gene expression. Using progressively truncated luciferase reporter gene constructs, we have identified a p53-responsive element (PRE) 500 bp upstream of the TATA-box containing promoter P0 of HIC1, which is sequence specifically bound by p53 in vitro as assessed by electrophoretic mobility shift assays. We demonstrate that this HIC1 p53-responsive element (HIC1.PRE) is necessary and sufficient to mediate induction of transcription by p53. This result is supported by the observation that abolishing endogenous wild-type p53 function prevents HIC1 mRNA induction in response to UV-induced DNA damage. Other members of the p53 family, notably TAp73beta and DeltaNp63alpha, can also act through this HIC1.PRE to induce transcription of HIC1, and finally, hypermethylation of the HIC1 promoter attenuates inducibility by p53.

A novel mutation in the steroidogenic acute regulatory protein gene promoter leading to reduced promoter activity

We have identified a novel cytosine/thymidine polymorphism of the human steroidogenic acute regulatory (StAR) gene promoter located 3 bp downstream of the steroidogenic factor-1 (SF-1)-binding site and 9 bp upstream of the TATA box (ATTTAAG). Carriers of this mutation have a high prevalence of primary aldosteronism. In transfection experiments, basal StAR promoter activity was unaltered by the mutation in murine Y-1 cells and human H295R cells. In Y-1 cells, forskolin (25 microM, 6 h) significantly increased wild-type promoter activity to 230+/-33% (P<0.05, n=4). In contrast, forskolin increased mutated promoter activity only to 150+/-27%, with a significant 35% reduction compared to wild type (P<0.05, n=3). In H295R cells, angiotensin II (AngII; 10 nM) increased wild-type StAR promoter activity to 265+/-22% (P<0.01, n=3), while mutated StAR promoter activity in response to AngII only reached 180+/-29% of controls (P< 0.01, n=3). Gel mobility shift assays show the formation of two additional complexes with the mutated promoter: one with the transcription repressor DAX-1 and another with a yet unidentified factor, which strongly binds the SF-1 response element. Thus, this novel mutation in the human StAR promoter is critically involved in the regulation of StAR gene expression and is associated with reduced promoter activity, a finding relevant for adrenal steroid response to physiological stimulators.

Characterization of the human tissue transglutaminase gene promoter

Transglutaminases are a family of calcium-dependent enzymes, that catalyze the covalent cross-linking of proteins by forming $\varepsilon(\gamma$-glutamyl)lysine isopeptide bonds. In order to investigate the molecular mechanisms regulating the expression of the tissue transglutaminase gene and to determine its biological functions, the goal of this research has been to clone and characterize the human tissue transglutaminase promoter. Thirteen clones of the tissue transglutaminase gene were obtained from the screening of a human placental genomic DNA library. A 1.74 Kb fragment derived from DNA located immediately upstream of the translation start site was subcloned and sequenced. Sequence analysis of this DNA fragment revealed that it contains a TATA box (TATAA), a CAAT box (GGACAAT), and a series of potential transcription factor binding sites and hormone response elements. Four regions of significant homology, a GC-rich region, a TG-rich region, an AG-rich region, and HR1, were identified by aligning 1.8 Kb of DNA flanking the human, mouse, and guinea pig tissue transglutaminase genes.^ To measure promoter activity, we subcloned the 1.74 Kb fragment of the tissue transglutaminase gene into a luciferase reporter vector to generate transglutaminase promoter/luciferase reporter constructs. Transfection experiments showed that this DNA segment includes a functional promoter with high constitutive activity. Deletion analysis revealed that the SP1 sites or corresponding sequences contribute to this activity. We investigated the role of DNA methylation in regulating the activity of the promoter and found that in vitro methylation of tissue transglutaminase promoter/luciferase reporter constructs suppressed their basal activity. Methylation of the promoter is inversely correlated with the expression of the tissue transglutaminase gene in vivo. These results suggest that DNA methylation may be one of the mechanisms regulating the expression of the gene. The tumor suppressor gene product p53 was also shown to inhibit the activity of the promoter, suggesting that induction of the tissue transglutaminase gene is not involved in the p53-dependent programmed cell death pathway. Although retinoids regulate the expression of the tissue transglutaminase gene in vivo, retinoid-inducible activity can not be identified in 3.7 Kb of DNA 5$\sp\prime$ to the tissue transglutaminase gene.^ The structure of the 5$\sp\prime$ end of the tissue transglutaminase gene was mapped. Alignment analysis of the human tissue transglutaminase gene with other human transglutaminases showed that tissue transglutaminase is the simplest member of transglutaminase superfamily. Transglutaminase genes show a conserved core of exons and introns but diverse N-terminuses and promoters. These observations suggest that key regulatory sequences and promoter elements have been appended upstream of the core transglutaminase gene to generate the diversity of regulated expression and regulated activity characteristic of the transglutaminase gene family. ^

Transcriptional regulation of the human {\it PAX6\/} gene

PAX6, a member of the paired-type homeobox gene family, is expressed in a partially and temporally restricted pattern in the developing central nervous system, and its mutation is responsible for human aniridia (AN) and mouse small eye (Sey). The objective of this study was to characterize the PAX6 gene regulation at the transcriptional level, and thereby gain a better understanding of the molecular basis of the dynamic expression pattern and the diversified function of the human PAX6 gene.^ Initially, we examined the transcriptional regulation of the PAX6 gene by transient transfection assays and identified multiple cis-regulatory elements that function differently in different cell lines. The transcriptional initiation site was identified by RNase protection and primer extension assays. Examination of the genomic DNA sequence indicated that the PAX6 promoter has a TATA like-box (ATATTTT) at $-$26 bp, and two CCAAT-boxes are located at positions $-$70 and $-$100 bp. A 38 bp ply (CA) sequence was located 992 bp upstream from the initiation site. Transient transfection assays in glioblastoma cells and leukemia cells indicate that a 92 bp region was required for basal level PAX6 promoter activity. Gel retardation assays showed that this 92 bp sequence can form four DNA-protein complexes which can be specifically competed by a 31-mer oligonucleotide containing a PAX6 TATA-like sequence or an adenovirus TATA box. The activation of the promoter is positively correlated with the expression of PAX6 transcripts in cells tested.^ Based on the results obtained from the in vitro transfection assays, we did further dissection assay and functional analysis in both cell-culture and transgenic mice. We found that a 5 kb upstream promoter sequence is required for the tissue specific expression in the forebrain region which is consistent with that of the endogenous PAX6 gene. A 267 bp cell-type specific repressor located within the 5 kb fragment was identified and shown to direct forebrain specific expression. The cell-type specific repressor element has been narrowed to a 30 bp region which contains a consensus E-box by in vitro transfection assays. The third regulatory element identified was contained in a 162 bp sequence (+167 to +328) which functions as a midbrain repressor, and it appeared to be required for establishing the normal expression pattern of the PAX6 gene. Finally, a highly conserved 216 bp sequence identified in intron 4 exhibited as a spinal cord specific enhancer. And this 216 bp cis-regulatory element can be used as a marker to trace the differentiation and migration of progenitor cells in the developing spinal cord. These studies show that the concerted action of multiple cis-acting regulatory elements located upstream and downstream of the transcription initiation site determines the tissue specific expression of PAX6 gene. ^

Chromatin structure and DNase I hypersensitivity in the transcriptionally active and inactive porcine tumor necrosis factor gene locus

We have analyzed the chromatin structure of the porcine tumor necrosis factor gene locus (TNF-alpha and TNF-beta). Nuclei from porcine peripheral blood mononuclear cells were digested with different nucleases. As assessed with micrococcal nuclease, the two TNF genes displayed slightly faster digestion kinetics than bulk DNA. Studies with DNaseI revealed distinct DNaseI hypersensitive sites (DH-sites) within the porcine TNF locus. Four DH-sites could be observed in the promoter and mRNA leader regions of the TNF-beta gene. Two DH-sites could be observed for the TNF-alpha gene, one located in the promoter region close to the TATA-box and the other site in intron 3. This pattern of DH-sites was present independently of the activation state of the cells. Interestingly in a porcine macrophage-like cell line, we found that the TNF-alpha promoter DH-site disappeared and another DH-site appeared in the region of intron 1. Additionally, the DH-site of intron 3 could be enhanced by PMA-stimulation in these cells. TNF-beta sites were not detected in this cell line. However, DH-sites were totally absent in fibroblasts (freshly isolated from testicles) and in porcine kidney cells (PK15 cell line) both of which do not transcribe the TNF genes. Therefore, the pattern of DH-sites corresponds to the transcriptional activity of analyzed cells.

Functional interplay of SP family members and nuclear factor Y is essential for transcriptional activation of the human Calreticulin gene

Calreticulin (CALR) is a highly conserved, multifunctional protein involved in a variety of cellular processes including the maintenance of intracellular calcium homeostasis, proper protein folding, differentiation and immunogenic cell death. More recently, a crucial role for CALR in the pathogenesis of certain hematologic malignancies was discovered: in clinical subgroups of acute myeloid leukemia, CALR overexpression mediates a block in differentiation, while somatic mutations have been found in the majority of patients with myeloproliferative neoplasms with nonmutated Janus kinase 2 gene (JAK2) or thrombopoietin receptor gene (MPL). However, the mechanisms underlying CALR promoter activation have insufficiently been investigated so far. By dissecting the core promoter region, we could identify a functional TATA-box relevant for transcriptional activation. In addition, we characterized two evolutionary highly conserved cis-regulatory modules (CRMs) within the proximal promoter each composed of one binding site for the transcription factors SP1 and SP3 as well as for the nuclear transcription factor Y (NFY) and we verified binding of these factors to their cognate sites in vitro and in vivo.

Interaction of the human androgen receptor transactivation function with the general transcription factor TFIIF

The human androgen receptor (AR) is a ligand-activated transcription factor that regulates genes important for male sexual differentiation and development. To better understand the role of the receptor as a transcription factor we have studied the mechanism of action of the N-terminal transactivation function. In a protein–protein interaction assay the AR N terminus (amino acids 142–485) selectively bound to the basal transcription factors TFIIF and the TATA-box-binding protein (TBP). Reconstitution of the transactivation activity in vitro revealed that AR142–485 fused to the LexA protein DNA-binding domain was competent to activate a reporter gene in the presence of a competing DNA template lacking LexA binding sites. Furthermore, consistent with direct interaction with basal transcription factors, addition of recombinant TFIIF relieved squelching of basal transcription by AR142–485. Taken together these results suggest that one mechanism of transcriptional activation by the AR involves binding to TFIIF and recruitment of the transcriptional machinery.

Transcription initiation is controlled by three core promoter elements in the hgl5 gene of the protozoan parasite Entamoeba histolytica

Entamoeba histolytica is a single cell eukaryote that is the etiologic agent of amoebic colitis. Core promoter elements of E. histolytica protein encoding genes include a TATA-like sequence (GTATTTAAAG/C) at −30, a novel element designated GAAC (GAACT) that has a variable location between TATA and the site of transcription initiation, and a putative initiator (Inr) element (AAAAATTCA) overlying the site of transcription initiation. The presence of three separate conserved sequences in a eukaryotic core promoter is unprecedented and prompted examination of their roles in regulating transcription initiation. Alterations of all three regions in the hgl5 gene decreased reporter gene activity with the greatest effect seen by mutation of the GAAC element. Positional analysis of the TATA box demonstrated that transcription initiated consistently 30–31 bases downstream of the TATA region. Mutation of either the TATA or GAAC elements resulted in the appearance of new transcription start sites upstream of +1 in the promoter of the hgl5 gene. Mutation of the Inr element resulted in no change in the site of transcription initiation; however, in the presence of a mutated TATA and GAAC regions, the Inr element controlled the site of transcription initiation. We conclude that all three elements play a role in determining the site of transcription initiation. The variable position of the GAAC element relative to the site of transcription initiation, and the multiple transcription initiations that resulted from its mutation, indicate that the GAAC element has an important and apparently novel role in transcriptional control in E. histolytica.

Characterization of the α1B-adrenergic receptor gene promoter region and hypoxia regulatory elements in vascular smooth muscle

We previously demonstrated that α1B-adrenergic receptor (AR) gene transcription, mRNA, and functionally coupled receptors increase during 3% O2 exposure in aorta, but not in vena cava smooth muscle cells (SMC). We report here that α1BAR mRNA also increases during hypoxia in liver and lung, but not heart and kidney. A single 2.7-kb α1BAR mRNA was detected in aorta and vena cava during normoxia and hypoxia. The α1BAR 5′ flanking region was sequenced to −2,460 (relative to ATG +1). Transient transfection experiments identify the minimal promoter region between −270 and −143 and sequence between −270 and −248 that are required for transcription of the α1BAR gene in aorta and vena cava SMC during normoxia and hypoxia. An ATTAAA motif within this sequence specifically binds aorta, vena cava, and DDT1MF-2 nuclear proteins, and transcription primarily initiates downstream of this motif at approximately −160 in aorta SMC. Sequence between −837 and −273 conferred strong hypoxic induction of transcription in aorta, but not in vena cava SMC, whereas the cis-element for the transcription factor, hypoxia-inducible factor 1, conferred hypoxia-induced transcription in both aorta and vena cava SMC. These data identify sequence required for transcription of the α1BAR gene in vascular SMC and suggest the atypical TATA-box, ATTAAA, may mediate this transcription. Hypoxia-sensitive regions of the α1BAR gene also were identified that may confer the differential hypoxic increase in α1BAR gene transcription in aorta, but not in vena cava SMC.

The activation domain of the enhancer binding protein p45NF-E2 interacts with TAFII130 and mediates long-range activation of the α- and β-globin gene loci in an erythroid cell line

We have used the interaction between the erythroid-specific enhancer in hypersensitivity site 2 of the human β-globin locus control region and the globin gene promoters as a paradigm to examine the mechanisms governing promoter/enhancer interactions in this locus. We have demonstrated that enhancer-dependent activation of the globin promoters is dependent on the presence of both a TATA box in the proximal promoter and the binding site for the erythroid-specific heteromeric transcription factor NF-E2 in the enhancer. Mutational analysis of the transcriptionally active component of NF-E2, p45NF-E2, localizes the critical region for this function to a proline-rich transcriptional activation domain in the NH2-terminal 80 amino acids of the protein. In contrast to the wild-type protein, expression of p45 NF-E2 lacking this activation domain in an NF-E2 null cell line fails to support enhancer-dependent transcription in transient assays. More significantly, the mutated protein also fails to reactivate expression of the endogenous β- or α-globin loci in this cell line. Protein-protein interaction studies reveal that this domain of p45 NF-E2 binds specifically to a component of the transcription initiation complex, TATA binding protein associated factor TAFII130. These findings suggest one potential mechanism for direct recruitment of distal regulatory regions of the globin loci to the individual promoters.

Cloning and characterization of the mouse vitamin D receptor promoter

The gene encoding the mouse vitamin D receptor has been cloned. A new exon 1 has been found that changes the numbering established for the human VDR gene. Exons 2 and 3 in the human VDR gene (coding for the zinc fingers 1 and 2, respectively) are named exons 3 and 4 in the mouse vitamin D receptor. The 1.5-kb 5′-flanking region of the new exon 1 was analyzed and revealed the presence of putative cis-acting elements. Despite the absence of a TATA box, this 5′-flanking region contains several characteristics of a GC-rich promoter including four Sp1 sites present in tandem and two CCAAT boxes. Interestingly, the Sp1 site that is the most proximal to the new exon 1 overlaps a perfect site for Krox-20/24. Krox-20 is a transcription factor involved in brain development, and also in bone remodeling. In luciferase reporter gene expression assays, we showed that sequences from this 5′-flanking region elicit high transactivation activity. Furthermore, in the NIH 3T3 cell line, a 3- to 5-fold increase in response to forskolin treatment (an activator of adenylate cyclase and in turn of protein kinase A pathway) was observed.