Entschlüsselung der Regeln für Genombindespezifität durch neuartige Entwürfe von intrinsisch ungeordneten Regionen, die das Binden von Transkriptionsfaktoren steuern

• Antragsteller: Professor Dr. Felix Jonas
• Fachliche Zuordnung: Allgemeine Genetik und funktionelle Genomforschung
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 550609939

Transkriptionsfaktoren (TF) koordinieren Genexpression, indem sie an spezifische regulatorische Genomregionen binden. Um zuverlässig zu funktionieren, müssen TFs ihre Zielregionen in riesigen Genomen präzise und schnell finden. Weder die Spezifität noch die Schnelligkeit des TF-Ziel-Suchprozesses werden durch bestehende Modelle hinreichend erklärt. Unsere jüngsten Ergebnisse, auf denen das Projekt aufbaut, deuten auf intrinsisch ungeordnete Regionen (IDRs) der TFs als Schlüssel zum Verständnis sowohl der Spezifität als auch der Geschwindigkeit dieses Suchprozesses hin. Sie haben gezeigt, dass IDRs das Binden von TFs in Genomen lenken können, und einige erste Hinweise auf die zugrundeliegenden molekularen Mechanismen und die damit verbundenen Sequenzgrammatiken geliefert. Vor allem hängt diese Rolle der IDRs von multiplen Determinanten ab, welche von globalen Merkmalen wie Aminosäure-Zusammensetzung und nicht von Sequenzmotiven kodiert werden. Dennoch bleibt die Basis dieser Interaktion unklar. In diesem Projekt werden wir mit Hilfe der synthetischen Biologie die IDR-Sequenzmerkmale definieren, welche die DNS-Bindepräferenzen steuern. Zuerst werden wiederkehrende (und konservierte) Merkmale von TF-IDRs bioinformatisch definiert und dann für das de-novo Design von IDR-Archetypen verwendet: IDRs, die diese Designmerkmale mit minimaler Sequenzkomplexität umsetzen. Die Aktivität dieser Archetypen wird mittels genomweiter Kartierung verifiziert und analysiert. Unsere Vorarbeiten, in denen wir erfolgreich zwei solche Archetypen mit definierter Spezifität entworfen haben, bestätigen die Machbarkeit dieses Ansatzes. Danach werden wir dieses genombindende IDR-Set durch das quantitative Verstellen der Designmerkmale erweitern. Umso die quantitative Beziehung zwischen den globalen IDR-Merkmalen und der Auswahl von IDR-gebundenen Genomregionen zu definieren, und IDR-Designs mit maßgeschneiderter Spezifität zu ermöglichen. Abschließend werden wir die entworfenen IDRs mit DNS-Bindedomänen (DBDs) kombinieren und ihre Interaktion untersuchen. Dies wird unser Verständnis der IDR-DBD-Interaktion in nativen TFs vertiefen und zusätzlich synthetische TFs mit bestimmten IDR-basierten Bindungspräferenzen generieren. Alles in allem nutzt unser Projekt de-novo entworfene IDRs, um eine fundamentale Frage der Genregulation zu beantworten: wie finden TFs ihre spezifischen Bindungsstellen in riesigen Genomen. Dadurch überwinden wir die Komplexitäten natürlicher Sequenzen, die sich entwickelt haben, um mehrere Funktionen zu erfüllen, und können uns auf die für die Bindungsspezifität kritischen Designmerkmale konzentrieren. In unseren drei Zielen werden wir die globalen Merkmalen der IDRs, die spezifisches Binden ermöglichen, definieren; aufzeigen, wie das Verstellen und Kombinieren dieser Merkmale die Spezifität ändern kann; und die Regeln der IDR-DBD Interaktion beschreiben. Insgesamt legt dieses Projekt den Grundstein für zukünftige mechanistische Studien von TF IDRs.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Israel
• ausländ. Mitantragstellerin: Professorin Dr. Naama Barkai