Entschlüsselung der menschlichen 3p-Ome-Regulationslandschaft auf Einzelzellebene

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas Gruber
• Fachliche Zuordnung: Bioinformatik und Theoretische Biologie ; Allgemeine Genetik und funktionelle Genomforschung
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 524608588

Das 3’-Ende von Transkripten wird durch endonukleolytische Spaltung und Polyadenylierung (Poly(A)) erzeugt, ein Prozess, der durch den sogenannten 3’-Ende-Prozessierungskomplex bewerkstelligt wird. Der Komplex interagiert mit spezifischen Sequenzmotiven, die sich in der Nähe der Poly(A)-Prozessierungsstellen befinden, an welchen die neu gebildete RNA gespalten und anschließend polyadenyliert wird. Die alternative Spaltung und Polyadenylierung (APA) von Transkripten führt zu 3’-Ende-Transkriptisoformen (3’-TIs), die sich in ihrer proteinkodierenden Sequenz und/oder ihren 3' untranslatierten Regionen (3'UTRs) unterscheiden. Letztere beherbergen cis-regulatorische Elemente, welche die Stabilität, Translation und Lokalisierung des Transkripts sowie die Lokalisierung des kodierten Proteins regulieren können. Dementsprechend spielen APA-Ereignisse eine zentrale regulatorische Rolle für zelluläre Zustände, und eine dysfunktionale 3'-Prozessierung spielt eine Schlüsselrolle bei verschiedenen Krankheiten, einschließlich Krebs, sowie bei neurologischen, immunologischen und hämatologischen Erkrankungen. Beim Menschen variiert die Verwendung von 3’-TIs erheblich zwischen Geweben. In Hoden-, Eierstock- und embryonalen Stammzellen sind die exprimierten 3’UTRs kurz, während die längsten 3’UTRs in Neuronen zu finden sind. Die Gesamtheit aller 3’-TIs, welche in einer einzelnen oder einer Population von Zellen vorhanden sind, kann als ihr "3p-Ome" bezeichnet werden. Die genomweite Sequenzierung von Transkript-3'-Enden hat gezeigt, dass die Mehrheit der 3’-Enden in aktuellen Genannotationen nicht vertreten sind und dass diese noch nicht annotierten Transkript-3'-Enden viel gewebespezifischer sind als die derzeit annotierten 3'-Enden. Frühere Bemühungen zur Annotation von Transkripten basierten weitgehend auf Sequenzierungsdaten von Standardzelllinien und einer eher begrenzten Anzahl an Geweben. Insbesondere für die Untersuchung der Identität und Funktion von Zellen ist es jedoch entscheidend, ein umfassendes Genmodell zur Verfügung zu haben, welches auch gewebespezifische Transkripte enthält. Da die aktuelle Forschung für zellspezifische 3’-TIs weitgehend "blind" ist, besteht das ehrgeizige Ziel dieses Projektes darin, die Annotation menschlicher 3’-TIs weitgehend abzuschließen und ihre Expressionsmuster zu charakterisieren, um die Erforschung von diesem grundlegenden molekularen Prozess zu fördern. Wir werden tausende von Einzelzell-Sequenzierungsdaten unterschiedlicher Zelltypen verwenden, um bisher unbekannte 3’-TIs zu identifizieren. Nachdem wir so eine stark erweiterte Genannotation aufgebaut haben, werden wir nach bisher unbekannten Subpopulationen von Zellen mit ähnlicher Transkript-Isoform-Expression suchen. Wir werden außerdem zellpopulationsspezifische Biomarker identifizieren und die Auswirkungen der Expression unterschiedlicher 3’-TIs auf exprimierte Proteindomänen und das Vorhandensein von cis-regulatorischen Elementen charakterisieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen