title: Functional investigation of the regulatory landscape around the Xist locus
Creators: name: Schwämmle, Till
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin
Year: 2024
Subjects: subject: Genregulation
subject: X-Chromosomen Inaktivierung
subject: CRISPR Screens
subject: Embryonalentwicklung
subject: Gene regulation
subject: X-chromosome inactivation
subject: CRISPR screens
subject: Embryonic development
subject: 570 Biologie

description: Regulatorische Landschaften von Genen steuern das präzise transkriptionelle Programm, das für die embryonale Entwicklung notwendig ist. Transkriptionsfaktoren (TFs) interagieren dabei mit regulatorischen Elementen (REs), um die Genexpression zu kontrollieren. Zur Untersuchung der zugrundeliegenden Mechanismen konzentriere ich mich auf das Xist-Gen, den Hauptregulator der X-Chromosom-Inaktivierung (XCI) in Säugetieren. In der Embryonalentwicklung wird Xist monoallelisch in weiblichen Zellen aktiviert, woraufhin die Xist-RNA das X-Chromosom überzieht und dessen Inaktivierung einleitet. Dadurch wird die erhöhte Dosis X-chromosomaler Gene in weiblichen Zellen kompensiert. Um ein umfassendes Verständnis der Xist-Regulatoren zu erhalten, nutze ich CRISPR-Screens, um REs und TFs in weiblichen embryonalen Stammzellen zu untersuchen. Dabei identifiziere ich ein neues nicht-kodierendes Gen namens Xert. Daruberhinaus stelle ich fest, dass promotor-nahe REs auf die Anzahl der X-Chromosomen reagieren, während distale REs unbeeinflusst bleiben. Durch meine TF-Screens entdecke ich zwei Gruppen von Aktivatoren: Die frühe Gruppe, darunter der X-chromosomale Faktor ZIC3, zeigt in weiblichen Zellen erhöhte Expression, was darauf hindeutet, dass sie die Xist-Expression auf weibliche Zellen beschränken. Die späte Gruppe, einschließlich OTX2, agiert geschlechtsunabhängig und stellt nach der initialen Xist-Aktivierung ein hohes Transkriptionslevel sicher. Mit weiteren CRISPR-Screens verknüpfe ich TFs mit REs und zeige, dass frühe Aktivatoren promotor-nahe REs beeinflussen, während späte Aktivatoren distale REs stärker regulieren. Diese Arbeit liefert eine systemische Perspektive des trans- und cis-regulatorischen Netzwerks, das die Xist-Aktivierung während der Differenzierung koordiniert und die Beschränkung auf weibliche Zellen gewährleistet.
description: The regulatory landscapes of developmental genes orchestrate precise and coordinated transcriptional programs required for embryonic development. During this process, transcription factors (TFs) interact with regulatory elements (RE) to finely tune gene expression. To study the regulatory principles acting in this context, I focus on the Xist gene, the master regulator of X-chromosome inactivation (XCI) in mammals. During early development, Xist is upregulated in a monoallelic fashion specifically in females. The Xist RNA then coats the X chromosome in cis, resulting in its inactivation. In this manner, female cells compensate for their increased X-chromosomal dosage in comparison to males. To obtain a complete understanding of Xist regulation, I first perform two CRISPR screens targeting REs and TFs during the early differentiation of female mouse embryonic stem cells. I identify Xist-controlling REs within the locus, unveiling a novel non-coding gene Xert. I further demonstrate the sensitivity of promoter-proximal REs to X-dosage, contrasted by the behavior of distal REs. In the TF screen, I detect two sets of activators which undergo transient upregulation at the onset of XCI. The early group of activators, including the X-linked TF ZIC3, exhibits higher expression levels in XX cells, indicating a role in restricting Xist expression to females. The late group of activators, including the master regulator of the epiblast OTX2, drives high transcript levels following Xist activation. Subsequently, I use a series of CRISPR screens targeting individual reporter constructs to map TF-RE wiring at the locus. I find that the early activators primarily act on the XX-dependent proximal REs. Contrary, the late activators interact with the sex-independent distal REs. With this study, I provide a systems level perspective of the trans- and cis-regulatory network that links Xist activation to early differentiation and ensures female-specificity.