Investigation of the Regulatory Processes of Gene Expression in Animal and Plant Sciences

Die transkriptionelle Regulation der Genexpression in höheren Organismen ist für zahlreiche biologische Prozesse von grundlegender Bedeutung. Diese Prozesse werden hauptsächlich durch eine spezielle Klasse von regulatorischen Proteinen, den Transkriptionsfaktoren (TFs), und deren kombinatorischem Zusammenspiel gesteuert. Verschiedene genetische Programme, wie die Anpassung an Umweltbedingungen, die Entwicklung von Geweben oder die Kontrolle von Krankheiten, werden durch die Bindung von TFs an kurze DNA-Motive, so genannte Transkriptionsfaktorbindestellen (TFBS), in den regulatorischen Regionen ihrer Zielgene gesteuert. Einzelnukleotid-Polymorphismen (SNPs, engl. ’single nucleotide polymorphisms’) in Promotorregionen können TFBSs verändern, was zu einer Änderung der Bindungsaffinität von TFs führt und somit die Genexpression beeinflusst. Solche SNPs werden als regulatorische SNPs (rSNPs) bezeichnet. In den letzten Jahren rückten rSNPs in den Mittelpunkt der Forschung, und die zugrunde liegenden Mechanismen, die zu einer differenziellen Genexpression führen, wurden für viele spezifische Merkmale und Krankheiten hauptsächlich bei Menschen oder Modellorganismen, aber auch bei landwirtschaftlichen Arten untersucht. Diese Studien konzentrierten sich jedoch meist nur auf einzelne regulatorische Varianten und umfassen keine systematischen Analysen. Daher fehlen bis heute solche umfassenden Analysen und genomweite Kollektionen von rSNPs, und es sind nur wenige Tools und Datenbanken für Nutztiere oder Nutzpflanzen verfügbar. In dieser Arbeit habe ich eine Pipeline für die Erkennung von rSNPs entwickelt und die Datenbanken agReg-SNPdb und agReg-SNPdb-Plants erstellt, welche genomweite Sammlungen von rSNPs und deren vorhergesagte Auswirkungen auf die TF-Bindung für landwirtschaftliche Tier- bzw. Pflanzenarten enthalten. agReg-SNPdb umfasst die sieben Nutz- und Haustierarten Rind, Schwein, Huhn, Schaf, Pferd, Ziege und Hund, und agReg-SNPdb-Plants umfasst die 13 Pflanzenarten und -unterarten Afrikanischen Reis, Asiatischen Reis (mit den Unterarten Indica und Japonica), Brotweizen, Gerste, Hartweizen, Mais, Raps, Sorghum, Sonnenblumen, Tomaten, Weintrauben und Wildreis. Von allen in agReg-SNPdb-Plants gespeicherten Spezies nimmt Raps eine Sonderrolle ein. Im Gegensatz zu den übrigen Spezies, bei denen ich Daten aus Ensembl Plants als Grundlage verwendet habe, gibt es für Raps bisher keine genomweite Sammlung von SNPs. Daher verwendete ich einen bereits veröffentlichten Datensatz, der auf resequenzierten Brassica napus L.-Sorten basiert, für die Identifizierung von rSNPs in agReg-SNPdb-Plants. Auf der Grundlage dieses Datensatzes untersuchte ich die regulatorischen Mechanismen in zwei Sorten, nämlich, Zhongshuang11 (ZS11), einer so genannten Doppelnull Sorte mit geringem Gehalt an Erucasäure und Glucosinolat, welche durch einen hohen Ölgehalt charakterisiert ist, und Zhongyou821 (ZY821), einer so genannten Doppelplus Sorte mit hohem Gehalt an Erucasäure und Glucosinolat, welche durch einen niedrigen Ölgehalt charakterisiert ist. Dadurch demonstriere ich die Anwendung von rSNPs zusammen mit Multi-Omics-Daten, um eine systematische Analyse des komplexen Zusammenspiels zwischen rSNPs, TFs und differenziell exprimierten Genen (DEGs) in vier Geweben (Blüte, Blatt, Stamm und Wurzel) durchzuführen, die dem Ölgehalt und der Ölqualität von Raps zugrunde liegen. Schließlich stelle ich ein Projekt vor, in dem ich die transkriptionelle Genregulation bei Hühnern und Enten nach einer Infektion mit der Vogelgrippe untersucht habe. Bis heute sind die Mechanismen, die die Anfälligkeit von Hühnern für die Vogelgrippe und die wirksame Immunantwort von Enten regulieren, noch nicht vollständig entschlüsselt. Um den Forschungsbedarf in Bezug auf upstream-Regulatoren auszugleichen, habe ich TFs und ihre Kooperationen und Master-Regulatoren identifiziert, die für die Aktivierung einer effektiven differentiellen Genexpression bei Hühnern zur Bekämpfung des Vogelgrippevirus von Bedeutung sein könnten. Insgesamt bietet diese Arbeit meines Wissens die ersten Datenbanken über rSNPs und ihre Auswirkungen auf die TF-Bindung bei Tier- und Pflanzenarten von landwirtschaftlicher Bedeutung. Indem die Datenbanken über eine Webseite zugänglich sind, haben Wissenschaftler*innen die Möglichkeit, ihre Ergebnisse aus genomweiten Assoziationsstudien, Genexpressionsexperimenten oder einer Kombination aus beiden zu interpretieren und zu bewerten, um Mechanismen aufzudecken, die einem Merkmal von Interesse zugrunde liegen. In den beiden Anwendungsprojekten habe ich neue Erkenntnisse über die Regulationsmechanismen gewonnen, die (i) dem Ölgehalt und der Qualität von Raps und (ii) der Kontrolle des Vogelgrippevirus bei Hühnern und Enten zugrunde liegen und die neue Forschungsziele für künftige Studien bieten könnten.

Transcriptional regulation of gene expression in higher organisms is fundamental for numerous biological processes. These processes are mainly controlled by a special class of regulatory proteins, the transcription factors (TFs), and their combinatorial interplay. Various genetic programs, such as environmental adaptation, tissue development, or disease control, are governed by the binding of TFs to short DNA motifs, called transcription factor binding sites (TFBS), in the regulatory regions of their target genes. Single nucleotide polymorphisms (SNPs) located in promoter regions can alter TFBSs leading to a change in the binding affinity of TFs and, thus, affect gene expression. Such SNPs are referred to as regulatory SNPs (rSNPs). In recent years, rSNPs have come into the focus of research, and the underlying mechanisms resulting in a differential gene expression have been studied for many specific traits and diseases mainly in humans or model organisms, but also in agricultural species. However, these studies mostly concentrate on single regulatory variants and do not include systematic analyses. Thus, there is still a lack of such comprehensive analyses and genome-wide collections of rSNPs, and to date, only few tools and databases are available for livestock or crop species. In this work, I developed a pipeline for the detection of rSNPs and created the databases agReg-SNPdb and agReg-SNPdb-Plants, storing genome-wide collections of rSNPs and their predicted effects on TF binding for agricultural animal and plant species, respectively. agReg-SNPdb includes seven livestock and domestic species, namely cattle, pig, chicken, sheep, horse, goat, and dog and agReg-SNPdb-Plants includes 13 crop species and subspecies, namely African rice, Asian rice (with its subspecies Indica and Japonica), barley, bread wheat, durum wheat, grape, maize, rapeseed, sorghum, sunflower, tomato, and wild rice. Out of all species stored in agReg-SNPdb-Plants, rapeseed holds a special role. In contrast to the remaining species, where I used the data from Ensembl Plants as basis, in rapeseed, to date, there is no genome-wide collection of SNPs available. Therefore, I used a previously published data set based on different resequenced Brassica napus L. cultivars for the identification of rSNPs in agReg-SNPdb-Plants. Based on this data set, I investigated the regulatory mechanisms in two cultivars, namely Zhongshuang11 (ZS11), a so-called double-low accession with low content of erucic acid and glucosinolate, which is characterized by high oil content, and Zhongyou821 (ZY821), a so-called double-high accession with high content of erucic acid and glucosinolate, which is characterized by low oil content. In this way, I demonstrate the application of rSNPs together with multi-omics data to perform a systematic analysis of the complex interplay between rSNPs, TFs, and differentially expressed genes (DEGs) in four tissues (flower, leaf, stem, and root) which are underlying the oil content and -quality in rapeseed. Finally, I present a project in which I investigated the transcriptional gene regulation in chicken and duck following an infection with avian influenza. To date, the regulatory mechanisms underlying the susceptibility of chicken to avian influenza and the effective immune response of duck have not been fully deciphered. To address the limited knowledge regarding upstream regulators, I identified TFs, their cooperations and master regulators that may be important in triggering an effective differential gene expression in chicken to control the virus. Overall, to the best of my knowledge, this work provides the first databases of rSNPs and their predicted consequences on TF binding in animal and plant species of agricultural importance. By making the databases accessible via a website, I enable scientists to interpret and evaluate their results from genome-wide association studies, gene expression experiments, or a combination of both to uncover mechanisms underlying a trait of interest. In the two application projects, I obtained novel insights into regulatory mechanisms underlying (i) the oil content and -quality of rapeseed and (ii) avian influenza virus control of chicken and duck and, thus, I could provide novel research objectives for future studies.

2023-12-15