DNA-Polymer-Hybride als molekulare Bausteine

Die DNA hat sich durch die herausstechende Eigenschaft zur Selbstorganisation in den Naturwissenschaften zu einem beliebten Werkzeug entwickelt. In dieser Arbeit wurde die Oligonukleotidselbsterkennung zum Aufbau komplexer Multiblockcopolymere genutzt. Dabei dienten komplementäre einzelsträngige Oligonukleotidsequenzen (ssDNA) als adressierbare Verbindungsstücke zwischen synthetischen Blöcken. Als Bausteine wurden asymmetrische Dreiblockcopolymere der Form DNA1-Polymer-DNA2 aus einer flexiblen Polymereinheit (PEO bzw. PPO) die an beiden Enden mit unterschiedlichen Oligonukleotidsequenzen „funktionalisiert“ ist, verwendet. Diese Bausteine konnten durch die Kombination von Festphasensynthese der Oligonukleotide und Blockkopplung dargestellt werden. Die Oligonukleotidsequenzen wurden so gewählt, dass deren Hybridisierung zu einer bei Raumtemperatur stabilen Verbindung führt. Durch die Verwendung dieser Bausteine erhält man ein modulares System, dass sich durch seine hohe Flexibilität auszeichnet. Aus den dargestellten Dreiblockcopolymeren konnten verschiedene alternierende Multiblockcopolymere aufgebaut werden, wobei die Anzahl der Blöcke (von 11 bis 15) und das PEO / PPO- Verhältnis variiert wurden. Derartige Strukturen sind auf der Grundlage chemischer Synthesen unerreichbar. Die Flexibilität dieses modularen Systems konnte gezeigt werden, indem einzelne Blockbausteine zur Strukturaufklärung einfach ausgetauscht oder weggelassen werden konnten. Durch geeignete Wahl der DNA-Sequenzen konnte zusätzlich das Polymerisationsverhalten dieser Bauelemente untersucht werden. Die Integration längerer kettensteifer DNA-Abschnitte in die Multiblockstrukturen erfolgte durch die Verwendung teilkomplementärer Oligonukleotide. Diese bieten den Vorteil, dass bis zu einer Größe von etwa 150 bp sowohl die Länge als auch die Sequenz der Doppelstrangabschnitte und sticky-ends frei variiert werden können. Die biosynthetischen Dreiblockcopolymere dienten hier als Linkermoleküle zwischen den einzelnen dsDNA-Blöcken. Nach diesem Konzept wurde ein Nonamer als Modellsystem eines mehrfach gebrochenen Stäbchens synthetisiert. Außerdem wurden mit Hilfe der Polymerase Kettenreaktion (PCR) semiflexible DNA Abschnitte erzeugt. Durch die Wahl des Synthesewegs konnte sowohl die Länge der semiflexiblen Einheit als auch die Länge und die Sequenz des sticky-ends variiert werden. Anhand dieser Modellverbindungen wurde dann das Hybridisierungsverhalten in Abhängigkeit der Linker- und Segmentlängen untersucht.

Amplicon DNA melting analysis for the simultaneous detection of Brucella spp and Mycobacterium tuberculosis complex. Potential use in rapid differential diagnosis between extrapulmonary tuberculosis and focal complications of brucellosis.

Some sites of extrapulmonary tuberculosis and focal complications of brucellosis are very difficult to differentiate clinically, radiologically, and even histopathologically. Conventional microbiological methods for the diagnosis of extrapulmonary tuberculosis and complicated brucellosis not only lack adequate sensitivity, they are also time consuming, which could lead to an unfavourable prognosis. The aim of this work was to develop a multiplex real-time PCR assay based on SYBR Green I to simultaneously detect Brucella spp and Mycobacterium tuberculosis complex and evaluate the efficacy of the technique with different candidate genes. The IS711, bcsp31 and omp2a genes were used for the identification of Brucella spp and the IS6110, senX3-regX3 and cfp31 genes were targeted for the detection of the M. tuberculosis complex. As a result of the different combinations of primers, nine different reactions were evaluated. A test was defined as positive only when the gene combinations were capable of co-amplifying both pathogens in a single reaction tube and showed distinguishable melting temperatures for each microorganism. According to the melting analysis, only three combinations of amplicons (senX3-regX3+bcsp31, senX3-regX3+IS711 and IS6110+IS711) were visible. Detection limits of senX3-regX3+bcsp31 and senX3-regX3+IS711 were of 2 and 3 genome equivalents for M. tuberculosis complex and Brucella while for IS6110+IS711 they were of 200 and 300 genome equivalents, respectively. The three assays correctly identified all the samples, showing negative results for the control patients. The presence of multicopy elements and GC content were the components most influencing the efficiency of the test; this should be taken into account when designing a multiplex-based SYBR Green I assay. In conclusion, multiplex real time PCR assays based on the targets senX3-regX3+bcsp31 and senX3-regX3+IS711 using SYBR Green I are highly sensitive and reproducible. This may therefore be a practical approach for the rapid differential diagnosis between extrapulmonary tuberculosis and complicated brucellosis.

Statistical Model to DNA Melting

We explore a DNA statistical model to obtain information about the behavior of the thermodynamics quantities. Special attention is given to the thermal denaturation of this macromolecule.

Statistical Model to DNA Melting

Um modelo estatístico para o DNA é estudado a fim de se obter informações sobre o comportamento de variáveis termodinâmicas. Atenção especial é dada à desnaturação térmica desta macromolécula.

Use of a novel DNA melting profile assay for the identification of PCR-amplified genomic sequences encoding for variant-specific surface proteins from the clonal GS/M-83-H7 line of Giardia lamblia.

During infections, Giardia lamblia undergoes a continuous change of its major surface antigens, the variant-specific surface proteins (VSPs). Many studies on antigenic variation have been performed using G. lamblia clone GS/M-83-H7, which expresses surface antigen VSP H7. The present study was focused on the identification and characterization of vsp gene sequences within the genome of the clonal G. lamblia GS/M-83-H7 line. For this purpose, we applied a PCR which specifically amplified truncated sequences from the 3'-terminal region of the vsp genes. Upon cloning, most of the vsp gene amplification products were shown to be approximately identical in size and thus could not be distinguished from each other by conventional gel electrophoresis. In order to pre-estimate the sequence complexity within the large panel of vsp clones isolated, we elaborated a novel concept which facilitated our large-scale genetic screening approach: PCR products from cloned DNA molecules were generated and then subjected to a DNA melting profile assay based on the use of the LightCycler Instrument. This high-throughput assay system proved to be well suited to monitor sequence differences between the amplification products from closely related vsp genes and thus could be used for the primary, sequence-related discrimination of the corresponding clones. After testing 50 candidates, vsp clones could be divided into five groups, each characterized by an individual DNA melting profile of the corresponding amplification products. Sequence analysis of some of these 50 candidates confirmed data from the aforementioned assay in that clones were demonstrated to be identical within, but different between, the distinct groups. The nucleotide and deduced amino acid sequences of five representative vsp clones showed high similarities both among each other and also with the corresponding gene segment of the variant-specific surface antigen (VSP H7) expressed by the original GS/M-83-H7 variant type. Furthermore, three of the genomic vsp sequences turned out to be identical to vsp sequences that represented previously characterized transcription products from in vivo- or in vitro-switched GS/M-83-H7 trophozoites. In conclusion, the DNA melting profile assay seems to be a versatile tool for the PCR-based genotyping of moderately or highly diversified sequence orthologues.

Development and characterization of polymeric nanoparticles(NPs) made from functionalized poly (D,L- lactide) (PLA)polymers

Les nanoparticules polymériques biodégradable (NPs) sont apparues ces dernières années comme des systèmes prometteurs pour le ciblage et la libération contrôlée de médicaments. La première partie de cette étude visait à développer des NPs biodégradables préparées à partir de copolymères fonctionnalisés de l’acide lactique (poly (D,L)lactide ou PLA). Les polymères ont été étudiés comme systèmes de libération de médicaments dans le but d'améliorer les performances des NPs de PLA conventionnelles. L'effet de la fonctionnalisation du PLA par insertion de groupements chimiques dans la chaîne du polymère sur les propriétés physico-chimiques des NPs a été étudié. En outre, l'effet de l'architecture du polymère (mode d'organisation des chaînes de polymère dans le copolymère obtenu) sur divers aspects de l’administration de médicament a également été étudié. Pour atteindre ces objectifs, divers copolymères à base de PLA ont été synthétisés. Plus précisément il s’agit de 1) copolymères du poly (éthylène glycol) (PEG) greffées sur la chaîne de PLA à 2.5% et 7% mol. / mol. de monomères d'acide lactique (PEG2.5%-g-PLA et PEG7%-g-PLA, respectivement), 2) des groupements d’acide palmitique greffés sur le squelette de PLA à une densité de greffage de 2,5% (palmitique acid2.5%-g-PLA), 3) de copolymère « multibloc » de PLA et de PEG, (PLA-PEG-PLA)n. Dans la deuxième partie, l'effet des différentes densités de greffage sur les propriétés des NPs de PEG-g-PLA (propriétés physico-chimiques et biologiques) a été étudié pour déterminer la densité optimale de greffage PEG nécessaire pour développer la furtivité (« long circulating NPs »). Enfin, les copolymères de PLA fonctionnalisé avec du PEG ayant montré les résultats les plus satisfaisants en regard des divers aspects d’administration de médicaments, (tels que taille et de distribution de taille, charge de surface, chargement de drogue, libération contrôlée de médicaments) ont été sélectionnés pour l'encapsulation de l'itraconazole (ITZ). Le but est dans ce cas d’améliorer sa solubilité dans l'eau, sa biodisponibilité et donc son activité antifongique. Les NPs ont d'abord été préparées à partir de copolymères fonctionnalisés de PLA, puis ensuite analysés pour leurs paramètres physico-chimiques majeurs tels que l'efficacité d'encapsulation, la taille et distribution de taille, la charge de surface, les propriétés thermiques, la chimie de surface, le pourcentage de poly (alcool vinylique) (PVA) adsorbé à la surface, et le profil de libération de médicament. L'analyse de la chimie de surface par la spectroscopie de photoélectrons rayon X (XPS) et la microscopie à force atomique (AFM) ont été utilisés pour étudier l'organisation des chaînes de copolymère dans la formulation des NPs. De manière générale, les copolymères de PLA fonctionnalisés avec le PEG ont montré une amélioration du comportement de libération de médicaments en termes de taille et distribution de taille étroite, d’amélioration de l'efficacité de chargement, de diminution de l'adsorption des protéines plasmatiques sur leurs surfaces, de diminution de l’internalisation par les cellules de type macrophages, et enfin une meilleure activité antifongique des NPs chargées avec ITZ. En ce qui concerne l'analyse de la chimie de surface, l'imagerie de phase en AFM et les résultats de l’XPS ont montré la possibilité de la présence de davantage de chaînes de PEG à la surface des NPs faites de PEG-g-PLA que de NPS faites à partie de (PLA-PEG-PLA)n. Nos résultats démontrent que les propriétés des NPs peuvent être modifiées à la fois par le choix approprié de la composition en polymère mais aussi par l'architecture de ceux-ci. Les résultats suggèrent également que les copolymères de PEG-g-PLA pourraient être utilisés efficacement pour préparer des transporteurs nanométriques améliorant les propriétés de certains médicaments,notamment la solubilité, la stabilité et la biodisponibilité.

Multiple pathways to bypass the enhancer requirement of sigma 54 RNA polymerase: Roles for DNA and protein determinants

Sigma 54 is a required factor for bacterial RNA polymerase to respond to enhancers and directs a mechanism that is a hybrid between bacterial and eukaryotic transcription. Three pathways were found that bypass the enhancer requirement in vitro. These rely on either deletion of the sigma 54 N terminus or destruction of the DNA consensus −12 promoter recognition element or altering solution conditions to favor transient DNA melting. Each of these allows unstable heparin-sensitive pre-initiation complexes to form that can be driven to transcribe in the absence of both enhancer protein and ATP β–γ hydrolysis. These disparate pathways are proposed to have a common basis in that multiple N-terminal contacts may mediate the interactions between the polymerase and the DNA region where melting originates. The results raise possibilities for common features of open complex formation by different RNA polymerases.

An initiation element in the yeast CUP1 promoter is recognized by RNA polymerase II in the absence of TATA box-binding protein if the DNA is negatively supercoiled

Purified RNA polymerase II initiated transcription from the yeast CUP1 promoter fused to a C-less cassette if the DNA was negatively supercoiled. Relaxed plasmid was not transcribed. Transcription did not require addition of any other transcription factors. TATA box-binding protein (TBP) was not detectable in the polymerase preparation and the TATA box was not required. Deletion analysis of the CUP1 promoter revealed that a 25-bp element containing the initiation region was sufficient for recognition by polymerase. Two transcription start sites were mapped, one of which is identical to one of the two major start sites observed in vivo. Our observations can be accounted for by using a theoretical analysis of the probability of DNA melting within the plasmid as a function of superhelix density: the CUP1 initiation element is intrinsically unstable to superhelical stress, permitting entry of the polymerase, which then scans the DNA to locate the start site. In support of this analysis, the CUP1 promoter was sensitive to mung bean nuclease. These observations and a previous theoretical analysis of yeast genes support the idea that promoters are stress points within the DNA superhelix. The role of transcription factors might be to mark the promoter and to regulate specific melting of promoter DNA.

Raaka-aine- ja energiatehokkuuden parantaminen Oras Oy:n valimossa

Tämän diplomityön tavoitteena oli tutkia toimintatapoja ja edellytyksiä parantaa Oras Oy:n valimon raaka-aine- ja energiatehokkuutta. Tarkastelu suoritettiin ekotehokkuusajattelun näkökulmasta. Valimon ekotehokkuutta mitattiin metallin saannon sekä valu-uunien energiatehokkuuden avulla. Tutkimustyö suoritettiin valitsemalla tarkastelun kohteeksi 20 valutuotetta. Metallin saantoa selvitettäessä punnittiin tuotteita eri työvaiheissa,jolloin saatiin selville valukanavien sekä koneistus- ja hiontavarojen osuudet valutuotteisiin panostetusta messingistä. Saantoa laskettaessa tuli myös huomioida vuosittain hylättävien tuotteiden määrät sekä messingin raaka-ainekierto kokonaisuudessaan. Valu-uunien osalta selvitettiin toiminta-ajan ja energiankulutuksen jakautuminen messingin sulattamisen ja sulan kuumanapidon kesken. Työssä tarkasteltiin, kuinka paljon metallin saantoa voitaisiin parantaa pienentämällä valukanavien ja työvarojen osuutta valoksissa sekä vähentämällähylkyjen määrää. Lisäksi tarkasteltiin muutosten vaikutuksia raaka-ainekustannuksiin sekä jätteiden määrään. Valu-uunien energiatehokkuuden parantamisen osaltatarkasteltiin käyttöasteen nostamisen eli viikoittaisen käyntiajan lisäämisen vaikutuksia energiankulutukseen ja -kustannuksiin sekä edellytyksiä pitää osa uuneista kylmänä.

Tamizaje neonatal para fibrosis quística en una muestra de la ciudad de Bogotá

La Fibrosis Quística es la enfermedad autosómica recesiva mas frecuente en caucásicos. En Colombia no se conoce la incidencia de la enfermedad, pero investigaciones del grupo de la Universidad del Rosario indican que podría ser relativamente alta. Objetivo: Determinar la incidencia de afectados por Fibrosis Quística en una muestra de recién nacidos de la ciudad de Bogotá. Metodología: Se analizan 8.297 muestras de sangre de cordón umbilical y se comparan tres protocolos de tamizaje neonatal: TIR/TIR, TIR/DNA y TIR/DNA/TIR. Resultados: El presente trabajo muestra una incidencia de 1 en 8.297 afectados en la muestra analizada. Conclusiones: Dada la relativamente alta incidencia demostrada en Bogotá, se justifica la implementación de Tamizaje Neonatal para Fibrosis Quística en Colombia.

Etablierung und Anwendung von biophysikalischen und molekularbiologischen Methoden zur Untersuchung von Wirkmechanismen neuer Indol-, Carbazol- und Oligopyrrolcarboxamid-Derivate als potentielle antitumoraktive Stoffe

Im Rahmen der gezielten Suche nach neuen Leitstrukturen mit antitumoraler Wirkung werden im Arbeitskreis U. Pindur seit Jahren verschiedene Strukturvarianten der Indol-, Carbazol und Pyrrol-Reihe studiert. Durch die Vielzahl neu synthetisierter Verbindungen war es erforderlich, geeignete Screening-Verfahren für die Routineanalyse zu etablieren, die möglichst früh vielversprechende Substanzen detektieren können.Zwei bedeutsame Targets der antitumoralen Wirkstoffe sind die DNA und die Topoisomerase I. Demzufolge war es das Kernziel dieser Arbeit, in erster Linie Assay-Verfahren zu studieren und neu zu etablieren, die eine Wechselwirkung von neu-synthetisierten Verbindungen mit diesen Targets nachweisen könnten.Im Rahmen dieser Arbeit wurden vier Assay-Verfahren neu etabliert und für die Routineanwendung optimiert: die Bestimmung der DNA-Schmelztemperatur, der Ethidiumbromid-Verdrängungsassay, der Unwinding-Assay und die Bestimmung der Topoisomerase I-Hemmung.Mit diesen vier Methoden, die mit Hilfe neuer Synthesesubstanzen und bekannter Standard-Cytostatika in dieser Arbeit aufgebaut, validiert und optimiert wurden, und mit den Ergebnissen der Zytotoxizitätsbestimmung, die im National Cancer Institute durchgeführt wurde, sollten nun erste Basisinformationen zum zukünftigen Aufbau von Struktur-Wirkungsbeziehungen der im Arbeitskreis U. Pindur synthetisierten Verbindungen geliefert werden.Aus der Analyse der Problematik bei der Durchführung der Assays zur Bestimmung der Wechselwirkungen mit der DNA und der damit ermittelten Ergebnisse hat sich eine Reduktion der Lipophilie der Testverbindungen als besonders wichtig herausgestellt, denn die meisten Assays werden in wäßrigem Puffer durchgeführt.In Hinblick auf Struktur-Wirkungsbeziehungen der neu synthetisierten Verbindungen konnten ausgehend von den bisherigen Ergebnissen erste vororientierende Korrelationen zwischen den verschiedenen Assay-Daten aufgestellt werden. Allerdings konnte auf Grund der Heterogenität der rationalen Hintergründe der Testverfahren und der Heterogenität der untersuchten Stoffgruppen noch kein einheitliches weiterführendes Strukturkonzept erarbeitet werden. Lediglich bei den Pyrrolcarboxamid-Derivaten konnte unter Berücksichtigung folgender Informationen eine weitergehende Strukturoptimierung vorgenommen werden. Eine terminale Dimethylaminopropyl-Gruppe sowie mindestens zwei Pyrroleinheiten bzw. drei amidische Gruppen bei den DNA-rinnenbindenden Pyrrolcarboxamid-Ketten sind erforderlich, um eine Wechselwirkung mit der DNA zu erreichen. Der interkalierende Teil der als potentielle „Combilexine“ entwickelten Oligopyrrolcarboxamid-Derivate sollte eine große Affinität zur DNA aufweisen, sonst scheint dieser Strukturabschnitt eher einen sterischen Störeffekt bei der Bindung in die Rinnen der Seitenkette hervorzurufen.Eine Analyse der erforderlichen strukturellen Eigenschaften für die Wechselwirkung mit der Topoisomerase I war nicht möglich, denn Testverbindungen unterschiedlichster Struktur haben eine Hemmung dieses Enzyms gezeigt. Weiterhin ist keine Korrelation zwischen der DNA-Affinität und der Fähigkeit zur Hemmung der Topo I festzustellen. Dennoch konnte die zytotoxische Wirkung bei einer Vielzahl von Verbindungen mit einer Hemmung der Topoisomerase I erklärt.Auf Grund der vorliegenden Ergebnisse sollten nun weitere Verbindungen gezielter synthetisiert werden, deren Analyse mit Hilfe der im Rahmen dieser Arbeit etablierten Verfahren zur Aufklärung weiterer essentieller Punkte für die Wechselwirkung mit der DNA und den Topoisomerasen führen soll.

Entwicklung von molekularen Sonden für die sichere Identifizierung von Hefen der Gattungen Brettanomyces, Dekkera

Hefen der Gattungen Brettanomyces/Dekkera sind in der Produktion von fermentierten Getränken, insbesondere in der Bier-, Sekt- und Weinherstellung bekannt. Sie können als Schädlingshefen insbesondere durch die Bildung von charakteristischen Sekundärmetaboliten zu einer negativen geschmacklichen Veränderung des Getränks führen. Aufgrund ihres langsamen Wachstums werden diese Hefen bei Routineanalysen mit konventionellen Kultivierungsmethoden leicht übersehen. Ein schneller und eindeutiger Nachweis von Brettanomyces/Dekkera-Hefen ist bis heute problematisch. In der vorliegenden Arbeit wurde eine Methode zur sicheren Detektion und Identifizierung aller fünf bekannten Spezies dieser Gattungen entwickelt. Die Fluoreszenz in situ Hybridisierung (FISH) mit Cy3-markierten DNA-Sonden ermöglichte einen direkten mikroskopischen Nachweis dieser Mikroorganismen in der Untersuchungsprobe. Im Hinblick auf die Generierung Art-spezifischer Sonden wurden die ribosomalen Gen-Cluster der verschiedenen Spezies hinsichtlich potentieller Zielregionen analysiert. Eine signifikante Steigerung des Sonden-vermittelten Fluoreszenz-Signals konnte durch die Anwendung eines neuen Sonden-Konzepts (Gemeinschafts-Sonden) auf hochvariable Bereichen der 26S rRNAs, unter Berücksichtigung ihrer Sekundärstrukturen, realisiert werden. Die Untersuchung der regionalen Verbreitung dieser Hefen in der Weinbauregion Rheinhessen ergab, dass bei 15 % der untersuchten Winzerbetriebe D. bruxellensis in Rotweinproben vorhanden war. Insgesamt konnten bei den Probenuntersuchungen aus 299 Weinen 44 D. bruxellensis-Stämme isoliert werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden darüber hinaus verschiedene Vitalitätsfärbungen hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit auf Brettanomyces/Dekkera evaluiert und eine Differenzierung dieser Hefen durch einen physiologischen Mikrotiterplatten-Test (Biolog, USA) überprüft.

Structural kinetics of transcription activation at the malT promoter of Escherichia coli by UV laser footprinting

We have studied the kinetics of transcriptional initiation and activation at the malT and malTp1 promoters of Escherichia coli using UV laser footprinting. Contrary to previous studies and because of the very rapid signal acquisition by this technique, we can obtain structural information about true reaction intermediates of transcription initiation. The consequences of adding a transcriptional activator, the cAMP receptor protein/cAMP complex (CRP), are monitored in real time, permitting us to assign specific interactions to the activation of discrete steps in transcription initiation. Direct protein–protein contacts between CRP and the RNA polymerase appeared very rapidly, followed by DNA melting around the −10 hexamer. CRP slightly increased the rate of this isomerization reaction but, more importantly, favored the establishment of additional contacts between the DNA upstream of the CRP binding site and RNA polymerase subsequent to open complex formation. These contacts make a major contribution to transcriptional activation by stabilizing open forms of the promoter complex, thereby indirectly accelerating promoter escape. The ensemble of the kinetic, structural signals demonstrated directly that CRP exerts most of its activating effects on the late stages of transcriptional initiation at the malT promoter.

RNA polymerase sigma factor determines start-site selection but is not required for upstream promoter element activation on heteroduplex (bubble) templates

Sequence-selective transcription by bacterial RNA polymerase (RNAP) requires σ factor that participates in both promoter recognition and DNA melting. RNAP lacking σ (core enzyme) will initiate RNA synthesis from duplex ends, nicks, gaps, and single-stranded regions. We have used DNA templates containing short regions of heteroduplex (bubbles) to compare initiation in the presence and absence of various σ factors. Using bubble templates containing the σD-dependent flagellin promoter, with or without its associated upstream promoter (UP) element, we demonstrate that UP element stimulation occurs efficiently even in the absence of σ. This supports a model in which the UP element acts primarily through the α subunit of core enzyme to increase the initial association of RNAP with the promoter. Core and holoenzyme do differ substantially in the template positions chosen for initiation: σD restricts initiation to sites 8–9 nucleotides downstream of the conserved −10 element. Remarkably, σA also has a dramatic effect on start-site selection even though the σA holoenzyme is inactive on the corresponding homoduplexes. The start sites chosen by the σA holoenzyme are located 8 nucleotides downstream of sequences on the nontemplate strand that resemble the conserved −10 hexamer recognized by σA. Thus, σA appears to recognize the −10 region even in a single-stranded state. We propose that in addition to its described roles in promoter recognition and start-site melting, σ also localizes the transcription start site.

Predicting Transcript Production Rates in Yeast With Sparse Linear Models

To provide biological insights into transcriptional regulation, a couple of groups have recently presented models relating the promoter DNA-bound transcription factors (TFs) to downstream gene’s mean transcript level or transcript production rates over time. However, transcript production is dynamic in response to changes of TF concentrations over time. Also, TFs are not the only factors binding to promoters; other DNA binding factors (DBFs) bind as well, especially nucleosomes, resulting in competition between DBFs for binding at same genomic location. Additionally, not only TFs, but also some other elements regulate transcription. Within core promoter, various regulatory elements influence RNAPII recruitment, PIC formation, RNAPII searching for TSS, and RNAPII initiating transcription. Moreover, it is proposed that downstream from TSS, nucleosomes resist RNAPII elongation.

Here, we provide a machine learning framework to predict transcript production rates from DNA sequences. We applied this framework in the S. cerevisiae yeast for two scenarios: a) to predict the dynamic transcript production rate during the cell cycle for native promoters; b) to predict the mean transcript production rate over time for synthetic promoters. As far as we know, our framework is the first successful attempt to have a model that can predict dynamic transcript production rates from DNA sequences only: with cell cycle data set, we got Pearson correlation coefficient Cp = 0.751 and coefficient of determination r2 = 0.564 on test set for predicting dynamic transcript production rate over time. Also, for DREAM6 Gene Promoter Expression Prediction challenge, our fitted model outperformed all participant teams, best of all teams, and a model combining best team’s k-mer based sequence features and another paper’s biologically mechanistic features, in terms of all scoring metrics.

Moreover, our framework shows its capability of identifying generalizable fea- tures by interpreting the highly predictive models, and thereby provide support for associated hypothesized mechanisms about transcriptional regulation. With the learned sparse linear models, we got results supporting the following biological insights: a) TFs govern the probability of RNAPII recruitment and initiation possibly through interactions with PIC components and transcription cofactors; b) the core promoter amplifies the transcript production probably by influencing PIC formation, RNAPII recruitment, DNA melting, RNAPII searching for and selecting TSS, releasing RNAPII from general transcription factors, and thereby initiation; c) there is strong transcriptional synergy between TFs and core promoter elements; d) the regulatory elements within core promoter region are more than TATA box and nucleosome free region, suggesting the existence of still unidentified TAF-dependent and cofactor-dependent core promoter elements in yeast S. cerevisiae; e) nucleosome occupancy is helpful for representing +1 and -1 nucleosomes’ regulatory roles on transcription.