Genetic Mechanisms of Environmental Signal Integration and Developmental Regulation through Transcription Factors in Plants : 식물의 전사인자를 통한 환경 신호와 발달 조절 유전적 메커니즘 연구

김병규 경북대학교 대학원 2025 국내박사

Secondary cell wall (SCW) formation in plants is a vital physiological process that provides mechanical support, enables efficient water transport, and enhances pathogen resistance. This process is intricately regulated by a hierarchy of transcription factors. Among them, NAC-domain transcription factors NST1 and NST2 are known as master regulators that control the expression of genes involved in SCW biosynthesis. Identifying the upstream regulators of these key NAC genes is essential for completing the transcriptional network that governs cell wall development. In this study, we demonstrate that the GATA family transcription factor AtGATA5 directly up-regulates NST1 and NST2 expressions and functions as an upstream regulator of the NST1 and NST2-centered transcriptional network. Previous studies have reported that AtGATA5 plays a role in plant growth by responding to environmental cues such as light, suggesting that GATA transcription factors are closely associated with light signaling and plant morphogenesis. Our study expands this understanding by revealing a novel role for AtGATA5 in the structural development of plant stems through its involvement in SCW formation. Notably, AtGATA5 was found to bind to the NST1 and NST2 promoter region, thereby directly promoting its transcriptional activation. This finding adds a new upstream regulatory layer to the SCW transcriptional hierarchy. These results propose a new gene regulatory model centered on the AtGATA5-NST1 and AtGATA5-NST2 axis and provide molecular evidence that a GATA transcription factor can function upstream of NAC-domain regulators. This expands the functional scope of GATA transcription factors from environmental signal response to tissue-specific developmental regulation. Our findings deepen the understanding of the hierarchical organization of gene regulatory networks related to SCW formation and suggest a potential molecular link between structural development and environmental response. This study may serve as a foundation for future research on SCW reprogramming and wood tissue development under varying environmental conditions. 식물의 2차 세포벽 형성은 기계적 지지와 수분 수송, 병저항성 확보에 핵심적인 역할을 수행하는 생리적 과정으로, 다양한 전사인자들에 의해 정교하게 조절된다. 이 가운데 NAC 계열 전사인자인 NST1과 NST2는 이차 세포벽 생합성 유전자들의 발현을 조절하는 최상위 조절인자로 알려져 있으며, 이들의 발현을 상위에서 조절하는 전사인자들의 정체를 밝히는 일은 세포벽 형성과정의 유전자 네트워크를 완성하는 데 있어 중요한 과제로 남아 있다. 본 연구는 GATA family 전사인자인 AtGATA5가 NST1의 발현을 직접적으로 증가시키며, 이를 통해 NST1기반 전사 조절 네트워크의 상위 조절인자 역할을 수행한다는 사실을 밝혔다. AtGATA5는 빛과 같은 환경 자극에 반응하여 식물 생장을 조절하는 기능이 선행 연구들을 통해 보고되어 왔으며, 이는 GATA 전사인자들이 광신호 전달계 및 식물체의 형태 형성과 밀접하게 연관되어 있다는 점을 시사한다. 본 연구에서는 AtGATA5가 이러한 기존의 역할을 넘어, 식물체의 구조적 발달 과정인 줄기 내 이차 세포벽 형성에 관여한다는 새로운 기능적 가능성을 제시하였다. 특히 AtGATA5는 NST1의 프로모터에 결합하여 직접적으로 전사 활성을 촉진하는 것으로 나타났으며, 이는 기존에 제안되어온 이차 세포벽 조절 네트워크에 새로운 상위 조절 계층을 추가하는 결과이다. 이와 같은 결과는 AtGATA5-NST1 축을 중심으로 하는 새로운 유전자 조절 모형을 제안하며, GATA 전사인자가 NAN-domain 전사인자의 상위에서 기능할 수 있음을 분자생물학 수준에서 입증한 사례로 해석된다. 이는 GATA 전사인자의 역할을 기존의 환경 신호 반응 조절에서 조직 특이적 발달 조절로 확장시키는 것으로, 이차 세포벽 형성과 관련한 유전자 네트워크의 계층 구조에 대한 이해를 높일 수 있을 것이다. 아울러 본 연구는 구조 형성과 환경 반응 간의 유기적 연결 가능성을 제시함으로써, 향후 환경 조건에 따른 목질 조직 발달 및 세포벽 재구성 전략 연구에도 기초자료를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.

Investigating gene regulatory networks mediated by key transcription factors in the MCF-7 breast cancer cell line : MCF-7 유방암 세포주에서 주요 전사인자에 의해 매개되는 유전자 조절 네트워크 연구

이규진 단국대학교 대학원 2024 국내석사

The gene regulatory mechanisms among key transcription factors in breast cancer are not well-studied. To elucidate these mechanisms, we employed a meta-analysis of ChIP-seq data from the MCF-7 cell line to characterize the binding levels of crucial transcription factors, investigate their functional relationships, and identify biomarkers for early diagnosis and personalized treatment strategies in breast cancer. Methods and Materials: ChIP-seq datasets for twelve transcription factors were obtained from the ENCODE project [21]. Peak identification was performed using HOMER with a stringent false discovery rate (FDR) adjustment [24]. The binding sites of transcription factors were analyzed to identify promoter, gene body, and intergenic regions. Binding site percentages were visualized using pie charts. Higher FPKM values indicated stronger binding regions, and the top 500 peaks were selected for further analysis [32]. Gene ontology (GO) analysis [26] was performed on these top binding sites, grouping transcription factors into functional categories such as cell cycle, estrogen signaling, transcriptional misregulation, and development. Results: Analysis revealed distinct binding patterns for each transcription factor. E2F1, E2F4, JUN, MYC, and SP1 primarily bind to promoter regions, whereas FOXA1, BRCA2, FOS, FOXM1, GATA3, HDAC2, and ESR1 predominantly bind to gene body and intergenic regions, suggesting different regulatory mechanisms. Unique binding site analysis identified JUN, FOXM1, and HDAC2 as potential therapeutic targets. Co-binding analysis identified 42 genes bound by at least six transcription factors, with 26 previously associated with breast cancer and 16 as potential new biomarkers. Discussion: The findings enhance the understanding of transcription factor dynamics in breast cancer by highlighting distinct regulatory roles. The identification of key regulatory regions and potential biomarkers offers new insights for therapeutic strategies. However, the study's reliance on a single cell line limits generalizability. Future research should validate these findings across various breast cancer subtypes and include experimental validations to confirm functional impacts. Overall, this study provides a detailed map of transcription factor activity in the MCF-7 cell line, contributing significantly to breast cancer biology and laying the groundwork for future research aimed at developing targeted therapies based on these findings.

T he role of core transcription factors related to pluripotency during porcine preimplantation embryo development

이민균 서울대학교 대학원 2023 국내박사

Mammalian embryogenesis begins with the formation of totipotent zygotes through the fertilization of sperm and oocytes. As cell cleavage proceeds, the totipotent state is lost followed by determination of the cell fate. Studies have been conducted to understand the gene networks and mechanisms of lineage specification that determine cell fate in various species. However, there are insufficient studies on the role of pluripotent core transcription factors, octamer-binding transcription factor 4 (OCT4), sex-determining region Y-box2 (SOX2) and NANOG, during porcine embryogenesis. In this thesis, the role of pluripotent core transcription factors in porcine preimplantation was investigated. To analyze the role of the SOX2, among core transcription factors, clustered regularly interspaced short palindromic repeat (CRISPR) / CRISPR-associated (Cas9) plasmid containing target single guide RNA (sgRNA) or overexpressing plasmid were injected into embryos. Next, the activity pattern of the enhancer of OCT4 in embryos was analyzed, and sgRNA/Cas9 mRNA or OCT4 mRNA were injected to investigate the effect of OCT4 on embryo development. Finally, knockout and overexpression assays were conducted to analyze the role of NANOG in epiblast development and pluripotency. SOX2 shows asymmetric expression in the morula stage and inner cell mass (ICM)-specific expression in the blastocyst; therefore, it is considered a reliable pluripotency marker. To solve this question, the SOX2 function was analyzed using the loss- and gain-of-function methods during early embryogenesis in pigs. Plasmids containing porcine SOX2 specific sgRNA and Cas9 were prepared and injected into parthenogenetically activated embryos. The number of SOX2-positive cells in the immunostaining assay was reduced in the SOX2-targeted blastocysts. The number of cells expressing NANOG, a marker of epiblast and SOX17, a primitive endoderm (PrE) marker, respectively, were decreased. Additionally, the total cell number of blastocysts reduced significantly, and the expression of proliferation-related genes decreased. SOX2 overexpression caused the differentiation of most blastomeres into trophectoderm (TE), and lowered the ICM/TE ratio. However, the overexpression increased the number of cells in blastocysts, and the expression of proliferation-related genes. In summary, in the porcine embryo, SOX2 maintains the formation of the ICM and embryonic proliferation. OCT4 has mainly been studied as a core transcription factor for lineage specification, but it shows species-specific varieties in its spatiotemporal expression pattern. Therefore, species-specific features of OCT4 were identified in pig embryos and their role during porcine early embryogenesis was analyzed. Previous studies revealed that the distal enhancer (DE) of OCT4 is a crucial element in the naïve state of mouse embryos. However, there were no studies in porcine embryos, so the pattern of OCT4 enhancer activity in porcine embryos was analyzed. When the dual reporter system was injected into 1-cell stage embryos, both DE and proximal enhancer (PE) were activated in porcine embryos, unlike in murine embryos. Next, the relationship between OCT4 and other lineage markers in porcine blastocysts was analyzed. OCT4 expression level in the ICM of late porcine blastocysts correlated with the expression level of SOX2 and SOX17. The cells with high OCT4 expression levels showed high SOX2 expression levels, whereas the cells with low OCT4 expression levels showed high SOX17 expression levels. Then, the CRISPR/Cas9 system was injected into 1-cell stage embryos targeting the OCT4 gene. In the immunostaining assay, ICM was not developed in OCT4 targeted blastocysts, and the number of cells expressing SOX2, NANOG, and SOX17 was decreased. Also, the total cell number decreased. The TE-related genes were upregulated, while the proliferation-related genes were downregulated. Conversely, OCT4 overexpression using mRNA injection at the 1-cell stage upregulated pluripotent-related genes, but the expression of SOX17, a PrE marker, was decreased. Thus, OCT4 regulates pluripotency genes and lineage specification in porcine blastocysts, and also promotes embryonic proliferation. NANOG is a well-known epiblast marker among pluripotent core transcription factors. Although it shows different expression patterns among mammalian species, most studies have used mouse as a model animal. The role of NANOG was analyzed by injecting the CRISPR/Cas9 system into 1-cell stage embryos. ICM was formed normally in NANOG targeted blastocysts, but the expression of pluripotent-related genes was decreased, and the PrE markers except for SOX17 were upregulated. The total cell number reduced significantly and the expression of proliferation- related genes was also reduced in blastocysts. To match the timing of the NANOG expression at the Day(D)5 blastocyst stage, a transfection assay was performed on zona-free embryos at the 8-cell stage. The expression of PrE and TE markers decreased, whereas the expression of proliferation-related genes increased. Thus, NANOG helps maintain pluripotency, lineage specification, and cell proliferation in porcine preimplantation embryos. In this thesis, SOX2, OCT4, and NANOG were shown to influence lineage specification during early porcine preimplantation embryo development. Also, these genes promoted cell proliferation during embryonic development. Overall, results of this thesis will expand our understanding of mammalian embryo lineage specification and gene networks of pluripotency and proliferation. 배아의 발달은 난자와 정자의 수정으로부터 시작하여, 상실배 이후부터 계통 분리가 시작된다. 이런 배아의 특성인 만능성과 세포 분화에 따른 운명결정의 원인과 결과에 대하여 수많은 연구들이 존재했다. 하지만 사람과 생리학적, 유전학적, 면역학적으로 유사한 돼지의 배아 발달과 만능성에 대한 연구가 부족하다. 본 논문에서는 만능성 핵심 전사인자들(OCT4, SOX2, NANOG)이 돼지 착상 전 배아의 초기발달 과정에서 어떤 영향을 끼치는지 분석했다. 먼저, SOX2 유전자가 inner cell mass (내부세포괴, ICM)의 형성과 배아의 세포 증식에 끼치는 영향을 분석하였다. 다음으로, OCT4가 착상 전 돼지 배아 두번의 세포 계통 결정과 세포 증식에 있어서의 역할을 확인했다. 마지막으로, 돼지 배아의 두 번째 세포 계통 결정인 epiblast (배반엽)와 primitive endoderm (원시 내배엽, PrE)의 분리와, 배아의 세포 증식에 대한 NANOG의 역할을 정리했다. 포유류 배아의 첫 번째 세포 계통 결정은 ICM과 trophectoderm (영양외배엽, TE)로 나눠지면서 운명이 결정된다. ICM은 TE와 다르게 만능성을 유지하는데, 최근에 이 기작에 대한 연구들이 활발하게 이뤄졌다. 생쥐 배아의 할구간 히스톤 메틸화 차이로 인해 할구의 운명이 나눠지며, 이 히스톤의 메틸화가 만능성 유전자들의 발현을 높여 만능성을 유지하는 기작이 밝혀졌다. 하지만 착상 전 돼지 배아에서 만능성 유전자들의 역할은 밝혀지지 않았다. 또한 배아에서의 만능성 유전자 시공간적 발현패턴이 종 특이적 특징을 가지기 때문에 각 동물에서의 만능성 유전자 네트워크와 배아 발달간의 상관관계 분석이 필수적이다. 따라서, 돼지의 ICM marker로 추정되는 만능성 핵심 유전자 중 하나인 SOX2 역할을 분석했다. 첫번째로, 돼지 배아 발달 초기 동안 만능성 핵심 전사인자 (OCT4, SOX2, NANOG)의 발현 패턴을 분석하여 ICM 마커로의 가능성을 확인했다. 그리고, 돼지 SOX2를 표적으로 하는 세 가지의 다른 CRISPR/Cas9 플라스미드 벡터를 클로닝하고, 검증 단계를 거쳐 효율이 높은 염기서열을 채택하여 미세주입을 통해 배아에 삽입하였다. 초기 배반포 단계에서 CRISPR/Cas9 시스템이 주입된 배아는 대조군에 비해 SOX2를 발현하는 세포의 수가 줄어들었고, epiblast와 PrE에서 각각 발현하는 NANOG와 SOX17을 발현하는 세포의 수도 감소하였다. 또한 배반포의 총 세포 수도 감소하고, 세포 증식 관련 유전자의 발현 또한 감소하였다. 과발현 벡터를 이용한 SOX2의 과발현은 TE로의 분화를 이끌어 ICM/TE 비율을 감소시켰다. 반면, SOX2 과발현은 배반포 세포의 수를 증가시켰으며 세포 증식 관련 유전자의 발현을 높였다. 결론적으로, 초기 배아의 발달 과정에서 SOX2는 ICM의 형성과 배아의 세포 증식을 지속시키는 역할을 한다. OCT4는 만능성 핵심 전사인자 중에서도 배아의 계통분리에 있어서 가장 많이 연구되었지만, 배아에서 종 특이적 발현 패턴을 보인다. 생쥐에서는 Oct4의 발현이 ICM에서만 발현하는 반면, 돼지와 사람 배아의 초기 배반포에서 OCT4의 발현은 TE에서도 발현하기 때문에 종 특이적 기작을 가질 수 있어 분석이 필요하다. 따라서 착상 전 돼지 배아에서의 OCT4 enhancer 활성의 종 특이적 특징을 밝히고, 계통분리와 배아 세포 증식에 대한 역할을 분석했다. 첫번째로, OCT4의 distal enhancer와 proximal enhancer의 활성을 분석하기 위한 이중 리포터 시스템을 돼지 배아에 미세주입 하였다. 이전 연구의 착상 전 마우스 배아는 distal enhancer의 활성만 높아졌던 것에 비해 돼지 배아에서는 distal enhancer와 proximal enhancer 모두 활성을 보여 차이점을 발견하였다. 다음으로, 돼지 배반포에서 OCT4와 다른 계통 분리 마커들 간의 관계를 분석했다. 돼지 후기 배반포의 ICM에서 OCT4 발현 레벨은 SOX2, SOX17의 발현 레벨과 연관이 있었는데, 높은 OCT4 발현 레벨을 가지는 세포는 높은 SOX2 발현레벨을 보였고, 낮은 OCT4 발현 레벨을 가지는 세포는 높은 SOX17 발현레벨을 보임을 찾아냈다. 이어서, OCT4를 knockout 하기 위해 RNA기반 CRISPR/Cas9 시스템을 1세포기 배아에 주입하였다. Knockout을 위해 3가지의 염기서열을 표적하는 sgRNA (single guide RNA)중 높은 효율을 보이는 2개의 sgRNA를 선별하여 이중-knockout을 유도했다. OCT4가 knockout된 배반포는 대조군과 비교하여 SOX2, NANOG, 그리고 SOX17을 발현하는 세포의 수가 감소하였고, 배반포 전체의 세포수가 감소하였다. TE 관련 유전자의 발현은 증가하였고, 반대로 세포 증식 관련 유전자의 발현은 감소하였다. 반대로, OCT4 mRNA를 주입한 배아에서는 다른 만능성 유전자들의 발현을 이끌었지만, PrE 마커인 SOX17의 발현을 감소시켰다. 또한, 배반포의 총 세포수와 증식 관련 유전자의 발현을 증가시켰다. 따라서, OCT4는 돼지 배아 발달 중에 만능성 유전자들의 발현과 계통 분리를 조절하며, 배아 세포의 세포증식을 촉진시킴을 알 수 있었다. 마지막으로, 돼지 배반포의 epiblast 마커로 알려져 있는 NANOG는 동물마다 배아에서의 발현시기가 다르다. 또한 대부분의 연구가 생쥐에 집중되어 있어서 역시 종 별로 비교 연구가 필요하다. 따라서, NANOG의 역할을 돼지 배아에서 분석하였고, 첫번째로 PrE 마커들과의 발현 패턴을 분석했다. 돼지 후기 배반포의 ICM 내에서 NANOG의 발현 레벨은 GATA6, SOX17의 발현레벨과 반비례함을 알아냈다. 이어서, 3가지 NANOG 표적 염기서열 중 효율이 높은 2개의 염기서열을 선별하여 1세포기 배아에 주입하였다. NANOG를 표적한 후기 배반포에서 정상적으로 ICM이 발달하였지만, 만능성 관련 유전자의 발현은 감소하였다. 그리고 SOX17을 제외한 PrE 관련 유전자들의 발현은 증가하였다. 배반포의 총 세포 수는 유의적으로 감소하였고, 세포 증식 관련 유전자들의 발현도 감소하였다. NANOG를 과발현 시키기 위해 실험을 고안했는데, 투명대를 제거한 8세포기 배아를 지질 나노입자와 NANOG mRNA가 포함된 배지에 배양하여 초기 배반포 시기부터 발현하도록 맞춰주었다. NANOG가 과발현된 후기 배반포는 만능성 관련 유전자의 발현은 증가하였고, PrE 관련 유전자와 TE 관련 유전자의 발현은 감소하였다. 따라서, NANOG는 돼지 배아 발달에서 만능성 유지와 계통 분리, 그리고 배아의 세포 증식에 중요한 역할을 한다. 본 연구에서 돼지 배아 계통분리와 발달에 만능성 핵심 전사인자들의 역할을 분석하기 위해 노력했다. 본 논문의 전체적인 연구 내용은 배아 계통 발달과 만능성 유전자 네트워크에 대한 이해를 넓혀줄 것이다.

Anti-apoptotic effect of 30Kc6 gene on induced pluripotent stem cell, and efficient delivery of 30Kc19-based transcription factor proteins for cellular direct conversion

유지나 서울대학교 대학원 2017 국내박사

30K protein, derived from silkworm hemolymph (SH), was known as having many properties. From 30K family (30Kc6, 30Kc12, 30Kc19, 30Kc21, and 30Kc23), 30Kc6 plays role for anti-apoptosis. When the cells were transfected with 30Kc6, the cells had higher viability in stress condition. Also, these property of 30Kc6 could increase the productivity of antibody, recombinant interferon-β, and human erythropoietin (EPO). The mechanism of 30Kc6 for antiapoptosis was due to prevent Bax binding on mitochondria. The other 30K protein, 30Kc19, has reported the properties of cell-penetrating and enzyme-stabilizing. Cell-penetrating peptide (Pep-c19) of 30Kc19 could enter cells by forming dimer. Also, 30Kc19 stabilized enzyme by crowd effect. Recent, 30Kc19 protein was reported enhancing soluble expression for transcription factors. The objective of this research is to overcome several hurdles in stem cell research. Human pluripotent stem cells such as hES and hiPS cells suffer from apoptosis in single cell-dissociation. Because of pre-activated Bax at Golgi in cells, hES and hiPS cells induced rapid apoptosis in stress condition. We applied 30Kc6 in hiPS cells. hiPS-30Kc6 cells were expressed pluripotent stem cell markers, and had a potency of differentiation in three germ layers. Also, the viability of single cells was higher than normal hiPS cells. Then, we wondered that anti-apoptotic property of 30Kc6 was from a specific domain of 30Kc6. From the apoptosis research, BH4 domain of Bcl2 inhibited apoptosis by binding Bax. With structural similarity of BH4, 30Kc6 alpha-helix (30Kc6α) was considered as anti-apoptotic domain. By truncation, we cloned 30Kc6α and observed anti-apoptotic property. Furthermore, 30Kc19-30Kc6α protein could penetrate cell, and showed enhanced cellular viability under STS or UV-irradiation condition. Cell-penetration and enzyme-stabilization are the properties on 30Kc19 protein. We tried to solve the problems on reprogramming which are instability and low solubility of transcription factor proteins. Previous reprogramming methods had a risk of transgene integration to host genome. By using protein, transcription factors were delivered directly without any DNA-related complications. To express transcription factors as soluble form, 30Kc19 was conjugated. 30Kc19 conjugated transcription factors (Oct4, Sox2, c-Myc, and Klf4) were expressed as a soluble protein. Purified soluble transcription factors were penetrated into cells, and stable up to 48 h. Furthermore, Klf4-30Kc19 protein showed a transcriptional activity. Lastly, we generated neuronal cells using transcription factor with 30Kc19. 30Kc19-Ascl1 protein induced successfully mouse embryonic fibroblasts (MEFs) to protein-induced neuronal cells (piNCs). p-iNCs had neuronal morphology, and expressed neuronal markers (Tuj1 and MAP2). Furthermore, the expression levels of neuronal genes (ASCL1, BRN2, and MYT1L) were observed higher on day 7 and 14. In this research, we applied anti-apoptotic 30Kc6 and cellpenetrating 30Kc19 protein on stem cell research. This approach will give a chance for developing new techniques in stem cell research.

Transcriptional Regulation of Autophagy During Adipocyte Differentiation

마흐무드 아메드 Gyeongsang National University, Graduate School 2021 국내박사

자가포식(Autophagy)은지방세포를포함한다양한세포들의성장과분화과정에중요한역할을담당하고있다.특히,지방세포분화과정에서자가포식은세포소기관의재편성뿐만아니라필요한에너지공급에필수적이다.본논문에서지방세포분화과정동안자가포식유전자발현과지방세포전사인자들의상호기능적연관성을다양한생물정보학적방법들을활용하여조사하였다.이를위해,이미논문으로발표된지방세포분화과정동안얻은수많은데이터들을확보하고,이를다시적절한형태로변형시켜분석에활용하였다.분석에사용한dataset에는3T3-L1지방세포분화과정시간(단계)에따른RNA-seq을이용한유전자발현과ChIP-seq에의한전사인자결합데이터들을포함하고있다.이를기반으로먼저유전자발현차이(differential expression)와유전자세트강화분석(gene set enrichment analysis)을활용하여자가포식유전자들의발현변화를조사하였다.또한결합과점유(binding and occupancy)분석법을이용하여자가포식유전자에지방조절인자결합양상을분석하였다.이결과,자가포식유전자발현의통계적변이의상당한부분이지방세포분화단계에의해설명됨을확인하였고,이는지방세포전사인자들에의해조절되는각분화단계와전사적연관성을제시하고있다.더불어주요자가포식과자가포식-전사인자유전자에PPARG와CEBPB들이특이적으로결합함을제시하였다.또한이런연구를통해cofactor들의결합과분포에대한특정패턴을확인할수있었다.결론적으로,지방세포분화과정동안자가포식유전자들이 자가포식-전사인자들과직관접적으로결합된지방조절인들의기능적연계성을통해조절됨을확인할수있었다. Autophagy contributes to the development of various cell types, including adipocytes. During adipogenesis, autophagy takes part in the remodeling of the cell and provides the required energy. Here, I studied the role of adipogenic transcription factors in regulating autophagy gene products. First, I collected and curated a large dataset from previously published studies of adipocyte differentiation. The data included gene expression by RNA-Seq and transcription factors binding by ChIP-Seq in the time course of differentiating 3T3-L1 pre-adipocytes. I applied differential gene expression and gene set enrichment analyses to study the changes in the regulation of autophagy genes and gene sets. I used differential binding and occupancy analysis to study the patterns of bindings of adipogenic factors on autophagy genes. I found that the stage of differentiation variable explains a significant percentage of the variance in the expression of autophagy genes; therefore, they might be regulated by the same adipogenic transcription factors. I showed evidence of binding events of PPARG and CEBPB on key autophagy genes and autophagy-specific transcription factors. In addition, I observed a pattern of simultaneous binding and redistribution of co-factors. To sum, autophagy genes are regulated as part of the transcriptional program of adipocyte differentiation through adipogenic transcription factors either directly or indirectly through autophagy factors.

(The) antiviral effect of heat shock transcription factor, X-linked 1 on the hepatitis B virus

Yun, Haena Sungkyunkwan University 2026 국내석사

Despite the availability of effective vaccines, the global mortality rate associated with hepatitis B virus (HBV) infection remains elevated. Complete eradication of covalently closed circular DNA (cccDNA), which serves as a viral minichromosome, is currently unattainable. Consequently, ongoing research is necessary to develop therapies that specifically target cccDNA. The heat shock factor (HSF) family responds to diverse cellular stresses, and some members exhibit organ-specific expression patterns. HSFs participate in multiple signaling pathways, such as protein homeostasis, organ development, and spermatogenesis. HSF1, a well-characterized member of this family, has been shown to promote HBV replication. Overexpression of HSFX1 decreased HBV DNA, secretory proteins, and HBV RNA levels, without altering cccDNA levels. To investigate the mechanism underlying HSFX1-mediated reduction in HBV RNA, the effect on viral RNA stability was assessed, but no significant difference was observed. A luciferase assay using constructs containing HBV enhancers and promoters demonstrated that their activity decreased in a dose-dependent manner with HSFX1 expression. Multiple host transcription factors, such as HNF4α, HNF3β, and HNF1α, are involved in HBV transcription. However, the data indicate that HSFX1 does not regulate these three transcription factors. Therefore, HSFX1 may reduce HBV replication by modulating other transcription factors rather than those primarily responsible for HBV transcription. These findings represent an important initial step toward elucidating the liver-specific functions of HSFX1. Furthermore, this research advances understanding of the relationship between HBV and the heat shock transcription factor family, including HSFX1. Further studies are necessary to clarify the mechanisms by which HSFX1 inhibits HBV replication. 효과적인 백신이 존재함에도 불구하고, B형 간염 바이러스(Hepatitis B virus, HBV) 감염으로 인한 전 세계 사망률은 여전히 높은 수준을 유지하고 있다. 바이러스 minichromosome으로 작용하는 covalently closed circular DNA(cccDNA)의 완전한 제거는 현재까지 불가능하므로, cccDNA를 표적으로 하는 치료 전략 개발을 위한 지속적인 연구가 필요하다. 열 충격 전사인자(Heat shock factor, HSF) 계열은 다양한 세포 스트레스에 반응하며, 일부 구성원은 기관 특이적인 발현 양상을 보인다. 이들은 단백질 항상성 유지, 기관 발달, 정자 형성 등 다양한 생물학적 과정에 관여한다. 이 중 HSF1은 B형 간염 바이러스 복제를 촉진하는 것으로 보고된 바 있다. 본 연구에서는 HSFX1을 과발현시킨 결과, cccDNA 수준에는 영향을 미치지 않으면서 HBV DNA, 분비 단백질, 그리고 HBV RNA 수준이 감소함을 확인하였다. HSFX1에 의한 HBV RNA 감소 기전을 규명하기 위해 RNA 안정성에 대한 영향을 분석하였으나, 유의미한 차이는 관찰되지 않았다. 반면, HBV enhancer 및 promoter를 포함하는 루시퍼레이스 분석 결과, HSFX1 발현량 증가에 따라 이들의 활성이 농도 의존적으로 감소하였다. HBV 전사는 HNF4α, HNF3β, HNF1α와 같은 숙주 전사인자에 의해 조절되지만, HSFX1은 이들 전사인자의 발현 수준을 조절하지 않는 것으로 나타났다. 따라서 HSFX1은 HBV 전사를 직접적으로 조절하는 주요 전사인자가 아닌, 다른 전사 조절 인자를 통해 HBV 복제를 억제할 가능성이 시사된다. 본 연구는 HSFX1의 간 특이적 기능을 규명하기 위한 중요한 초기 단계이며, HSFX1을 포함한 열 충격 전사인자 계열과 HBV 간의 상호작용에 대한 이해를 확장한다. 향후 연구를 통해 HSFX1이 HBV 복제를 억제하는 정확한 분자 기전을 규명할 필요가 있다.

Characterization of Transcription Factor genes responsible for conferring cold tolerance in B. napus

Mayur Mukut Murlidhar Sharma 강원대학교 대학원 2020 국내석사

Brassica napus is one of the most important oilseed crop in the world with a major contribution to both agriculture and industrial sector. The production of rapeseed is diminished by various abiotic and biotic factors. In temperate regions like Korea cold stress is one of the major factors hampering the production of rapeseed. Cold stress impose several molecular and biochemical changes at the cellular level affecting the overall growth of plant. These cellular mechanisms have been studied a lot previously but still require a deep study for crop improvement to withstand cold-stress. Transcription factors are the regulatory switches in the pathways of cold-stress response. Targeting transcription factor gene can control the gene induction mechanism. In this study the B. napus plants were subjected to cold stress at various temperature. The total RNA were harvested from the cold-treated plants. Using the cold-treated RNA as template cDNA were synthesized.900 cold-responsive genes were downloaded from public database and sorted transcription factor related 90 genes from them. After desgining gene specific primers on 90 TF genes, we analysed their expression. Based on their expression we finally selected 20 genes for further studies.These genes includes transcription factors from various families such as MYB, Heat-shock proteins and Zinc-finger proteins. These TFs genes can be used for future studies and experiments. Secondly, I specifically focussed on GATA transcription factor genes in Brassica napus. The GATA transcription factors belong to the Zinc finger group of proteins and previous studies suggests their possible involvement in cold-stress pathways. For our study we used cold tolerant B. napus cultivar Naehan and Tamra and cold-suceptible cultivar Halla and Tammi. We downloaded 16 GATA TF genes from public database and constructed a phylogenetic tree including GNC and GNL from Arabidopsis. Based on the phylogenetic analyses the GATA TF genes were divided into four groups namely GATA 1-1, GATA 1-2, GATA 2-1 and GATA 2-2. We designed primers on consensus sequences of four GATA gene groups. We carried out expression analyses using cold-treated cDNA as template. GATA transcription factor genes showed variable expression under different temperature. Among four GATA 2-1 showed most promising results. The variable expression of GATA TF genes under cold stress provides a hint of their involvement in cold-response scenario and leaves us with questions that can serve as base for future studies.

The Control of Transcription Factor Degradation by Ubiquitination-Dependent and -Independent Mechanisms

Nardone, Christopher Harvard University ProQuest Dissertations & Theses 2024 해외박사(DDOD)

Cells have evolved an elegant system for degrading either functionally superfluous or damaged proteins. Ubiquitin is a small protein modifier, which when conjugated onto proteins is referred to as the "kiss of death" because the ubiquitinated protein is canonically recognized by the proteasome for destruction in the so-called Ubiquitin-Proteosome System, UPS. The proteasome is a macromolecular protease that is responsible for most selective protein degradation within cells and is considered the dedicated recycling center. Most substrates are selected for ubiquitination by E3 ubiquitin ligases, which control selectivity of ubiquitination and protein degradation. The physiological importance of the UPS is underscored by the fact that it is involved in nearly every aspect of cell biology and its dysregulation causes multiple human diseases such as cancer and neurodegeneration. Among the many important UPS substrates are transcription factors (TFs), which are DNA-binding proteins that comprise about one-tenth of the eukaryotic proteome and directly regulate gene expression in the nucleus. Despite the importance of the UPS and TFs, only a handful of mechanisms have been well-characterized for transcription factor turnover, and a system-level characterization was lacking. The goal of my graduate studies was to combine the power of genetics and biochemistry to discover novel protein degradation pathways that control the stability of transcription factors.I began by analyzing a genetic screen to uncover which of the ~2,000 transcription factors are degraded within cells by the ubiquitin-proteasome system. I found that TFE3 and MITF, transcription factors that promote lysosome and melanosome biogenesis, were strikingly unstable proteins. In the presence of nutrients, TFE3 and MITF are recruited to the lysosomal surface. I found that this leads to phosphorylation within an evolutionarily conserved motif. The phosphorylated motif serves as a binding surface for the CUL1β-TrCP ubiquitin ligase that ubiquitinates TFE3 and MITF, causing their proteasomal demise. In the absence of nutrients, TFE3 and MITF are no longer degraded, and their stabilization is required for activation of transcriptional activity. Missense mutations within TFE3 were reported to cause a severe neurodevelopmental syndrome. I found that these specific mutant TFE3s are recalcitrant to lysosomal surface recruitment, leading to a hypo-phosphorylated and constitutively stable transcription factor. Furthermore, the motif required for ubiquitination is recurrently lost in TFE3 genomic translocations that cause kidney cancer. Thus, two divergent diseases are due to a loss of TFE3 protein stability regulation by nutrients (Nardone, et al., Mol Cell 2023).In parallel to this work, I began studying transcription factors encoded by the immediate- early-genes (IEGs) of the Fos, EGR, and NR4A families. These proteins are rapidly and transiently transcribed in response to a wide range of extracellular stimuli. For example, the IEG mRNAs accumulate to a high level upon neuronal depolarization, and once these mRNAs are translated, the IEG proteins undergo proteasomal decay. The stability of the IEG proteins is tightly controlled to allow for a relatively brief burst of protein expression that is crucial for the appropriate transcriptional response, which in neurons regulates synaptic plasticity. Although the mechanisms that govern IEG transcription are well-characterized, it remained mysterious how these transcription factors are degraded. In collaboration with Xin Gu from Michael Greenberg's lab at HMS, I performed a genetic screen to identify the genes that regulate IEG protein degradation. We identified a largely uncharacterized protein in mammals, called midnolin, that promotes the degradation of Fos, FosB, EGR1, and NR4A1 in primary cortical neurons. By searching for additional targets, we discovered that midnolin also promotes the degradation of IRF4, NeuroD1, PAX8, GATA1, and potentially hundreds of other transcriptional regulators in the nucleus, where midnolin itself resides. Midnolin is induced by diverse stimuli and its overexpression is sufficient to promote the degradation of its targets by a mechanism, which remarkably, does not require ubiquitination. Instead, midnolin associates directly with the nuclear proteasome, uses a unique region we termed the Catch domain to binds its substrates, and promotes substrate degradation via a ubiquitin-like domain. Our work suggests that the midnolin-proteasome pathway may represent a general mechanism by which nuclear proteins are selectively degraded independently of ubiquitination (Gu and Nardone, et al., Science 2023).Taken together, these findings have spurred many new areas of ongoing research aimed at further characterizing the mechanisms and physiological roles of these degradation pathways using protein structure, biochemistry, and genetically engineered animal models. Overall, this body of research has deepened our understanding of how misregulating transcription factor degradation impacts human health and disease.

식물의 카드뮴 저항성에 기여하는 두 종류의 Heat Shock 전사조절자와 Metallothioneins에 대한 연구 : Studies on Transcription Factors That Confer Cadmium Tolerance and Metallothioneins in plants

심동환 포항공과대학교 대학원 2010 국내박사

Cadmium (Cd) is a widespread soil pollutant in industrial and agricultural areas. Plants have mechanisms that confer tolerance of this toxic metal; however, the underlying molecular controls and tolerance genes have not been well characterized. A screen of wheat genes that confer Cd tolerance to a Cd hypersensitive yeast strain resulted in the identification of a heat shock transcription factor (Hsf), Triticum aestivum Heat shock transcription factor A4a (TaHsfA4a). Based on predicted amino acid sequences, TaHsfA4a is most similar to the class A4 Hsfs from monocots, including barley, sorghum, maize, and rice. The most closely related rice homolog, OsHsfA4a, conferred Cd tolerance in yeast, as did TaHsfA4a, while the second-most closely related rice homolog, OsHsfA4d, did not. Cd tolerance was enhanced in rice plants expressing TaHsfA4a, and decreased in rice plants with knocked-down expression of OsHsfA4a. An analysis of the functional domain using chimeric proteins constructed from TaHsfA4a and OsHsfA4d revealed that the DNA-binding domain (DBD) of TaHsfA4a is critical for Cd tolerance. A detailed analysis of the DBDs revealed that, within this region of TaHsfA4a, Ala-31 and Leu-42 are important for Cd tolerance. I searched for the targets of TaHsfA4a and found that the TaHsfA4a-mediated Cd resistance mechanism requires metallothionein (MT) in yeast. Thus I hypothesized that TaHsfA4a confers Cd tolerance by regulating MT gene expression in plants as well. In line with this hypothesis, Cd stress caused increases in TaHsfA4a and OsHsfA4a expression, together with their target MT genes, in the roots of wheat and rice. These findings suggest that the two class A4 Hsfs of wheat and rice confer Cd tolerance by up-regulating MT gene expression in planta. Furthermore, the Arabidopsis MT genes AtMT1 and AtMT2 confer Cd resistance to Cd-sensitive yeast, but it has not been directly shown whether they or other MTs provide the same protection to plants. I tested whether AtMT2a and AtMT3 can confer Cd resistance to plant cells by introducing GFP- or RFP-fused forms of the genes into guard cells of Vicia faba by biolistic bombardment. AtMT2a and AtMT3 protected guard cell chloroplasts from degradation upon exposure to Cd, an effect that was confirmed using an FDA assay to test the viability of the exposed guard cells. AtMT2a- and AtMT3-GFP were localized in the cytoplasm both before and after treatment of V. faba guard cells or Arabidopsis protoplasts with Cd, and the levels of reactive oxygen species were lower in transformed guard cells than in non-transformed cells after Cd-treatment. These results suggest that the Cd-detoxification mechanism of AtMT2a and AtMT3 may not include sequestration into vacuoles or other organelles, but does involve reduction of the level of reactive oxygen species in Cd-treated cells. In Arabidopsis seedlings exposed to Cd, the expression of AtMT2a and AtMT3 increased. Together, these data support a role for the metallothioneins AtMT2a and AtMT3 in Cd resistance in intact plant cells. In summary, I identified two new transcription factors and their target gene metallothionein as important factors in cadmium resistance of plants. 카드뮴은 전 세계적으로 광범위하게 토양 및 수질을 오염시키고 있는 유독한 중금속이다. 그것이 세포 내로 들어오면 활성 산소를 유도하여 세포에게 손상을 입힌다. 카드뮴으로 오염된 토양에서 자란 식물과 그들을 먹고 사는 동물들은 심각한 질병에 걸릴 수 있다. 그래서 본인은 카드뮴으로 오염된 토양에서 잘 견디는 식물 뿐만 아니라 카드뮴을 적게 흡수하는 작물을 개발하기 위한 유전자 발굴 프로젝트를 시작하였다. 사용한 방법은 밀에서 얻은 cDNA library를 카드뮴에 민감한 효모에 발현시켜, 살아 남는 콜로니를 찾는 기능보완 (functional complementation) 스크리닝 이었다. 이 방법으로 찾은 유전자 중에서 Class A4 heat shock transcription factor와 상동성이 높은 transcription factor TaHsfA4a (Triticum aestivum Heat Shock Transcription Factor A4a)라 명명하고 이 유전자의 특성과 카드뮴 저항성에 대한 작용 메커니즘을 연구했다. 이 유전자는 392개의 아미노산으로 구성되어 있으며, 앞 부분에 DNA binding domain을 가지고 있고 중간 부분에 핵으로 갈 수 있는 시그널이 있어 GFP를 이용한 세포 내 위치 관찰에서 핵에 존재한다는 것을 관찰했다. 또한, 벼에서 TaHsfA4a와 비슷한 두 유전자를 찾았는데 85.7% 상동성을 갖는 OsHsfA4a (Rice Heat Stock Transcription Factor A4a)와 70.1% 상동성을 갖는 OsHsfA4d (Rice Heat Stock Transcription Factor A4d)를 찾았다. 이들을 카드뮴에 민감한 효모에 발현시켜 효모의 성장을 관찰한 결과, OsHsfA4a는 카드뮴 저항성을 보이는 반면에 OsHsfA4d는 그렇지 못했다. 이러한 차이를 이용하여 이들간의 DNA binding domain을 비교 분석하고 아미노산 서열이 크게 다른 부분을 돌연변이 시켰고, 그 결과로 DNA binding domain이 카드뮴 저항성을 높이는데 중요한 역할을 한다는 것을 알아냈다. 특히, 두 개의 아미노산 치환 실험을 통해 DNA에 붙는 위치보다 다른 단백질과 결합하는 부분이 더 중요하다고 추론했다. 이들 카드뮴 저항성 전사조절 단백질들이 어떤 유전자들의 전사를 조절하는지를 알아내기 위해 효모에서 microarray 실험을 수행하여, TaHsfA4a에 의해서 발현이 증가되는 170개의 단백질을 찾았으며, 그들 중 스트레스에 관여하는 유전자들의 복합적인 발현이 카드뮴 저항성에 기여했을 것으로 추정하였다. 특히, 구리와 카드뮴을 잘 잡는다고 보고된 metallothionein (MT) 계열의 CUP1 유전자가 TaHsfA4a의 직접적인 조절을 받아 카드뮴 저항성에 기여했다는 사실을 증명했다. 이러한 효모에서 검증된 기능을 모델 식물인 벼에서 알아보기 위해 TaHsfA4a 과발현 벼와 OsHsfA4a 저발현 벼를 이용하여 카드뮴이나 다른 중금속에 대한 저항성을 테스트 해 보았다. 그 결과 TaHsfA4a 과발현 벼는 야생종에 비해 카드뮴에 대한 저항성을 보였고, OsHsfA4a 저발현 벼는 야생종에 비해 민감한 표현형을 보였다. 이것은 HsfA4a 유전자가 카드뮴 저항성에 기여하고 있다는 것을 식물에서 증명한 것이다. 더 나아가 벼와 밀에서도 효모에서와 같이 MTs이 HsfA4a의 조절을 받을까 조사해 보았다. 예상대로 벼와 밀 모두에서 HsfA4a의 발현이 증가하는 조건에서 MTs의 발현이 증가하는 것을 관찰할 수 있었다. 특히, 뿌리에서 카드뮴에 의한 TaHsfA4a와 OsHsfA4a의 발현이 증가되면 TaMTs와 OsMT의 발현도 함께 증가하였다. 이것은 효모에서 뿐만 아니라, 벼와 밀에서도 HsfA4a에 의해 유도된 MTs 유전자가 카드뮴 저항성에 기여했다는 것을 말해 주고 있는 것이다. MTs는 cysteine을 많이 가지고 있는 작은 단백질로서 동물에서부터 식물에 이르기까지 고등생물에 여러 형태로 존재하며, metal chelation과 ROS degeneration에 대한 연구가 보고되었다. 본 연구에서는 애기장대의 protoplast와 Vicia faba의 공변세포를 이용해 AtMT2a와 AtMT3의 카드뮴 저항성 기능을 밝혔다. 이들은 항상 세포질에 존재하였으며 세포 내로 들어온 카드뮴을 잡아 줌으로써 카드뮴에 의해 발생되는 활성 산소를 줄여 카드뮴을 무독화시키는 역할을 했다. 이렇게 카드뮴 저항성에 기여하는 유전자를 조절할 수 있는 전사조절자를 찾은 것은 대단히 중요한 일이다. 이러한 전사조절자들은 중금속 스트레스에 관련된 여러 유전자를 복합적으로 조절하기 때문에 이들을 이용하면 한 유전자만 과발현 시켰을 때 보다 훨씬 큰 시너지 효과를 얻어낼 수 있을 것이다. 더욱이 동물에서 잘 알려진 중금속 저항성에 중요한 전사조절자 Metal response transcription factor 1 (MTF-1)은 식물에서 발견되지 않았다. 그러므로 본인은 본 연구에서 찾은 HsfA4a가 식물에서는 MTF1의 기능을 대신 하고 있을 가능성이 있다고 생각한다. 왜냐하면, 식물에는 동물보다 훨씬 다양한 Hsfs 유전자들이 군집을 형성하고 있고, 이렇게 다양한 Hsfs은 각각 고유의 기능으로 진화되었을 것이기 때문이다. 본인은 이 연구를 통하여 HsfA4a 유전자를 유용한 작물에 적용하여 중금속으로 오염된 토양에서도 잘 자라고, 중금속 흡수를 막아 작물 내에 중금속 함량을 최소화 할 수 있는 안전한 작물을 만들 수 있을 것으로 기대한다.

시스템 생물학적 방법론을 통한 전사조절 네트워크 구성인자 탐색에 대한 연구 : Computational analysis of cis- and trans-acting factors in the transcriptional regulatory network

오영민 포항공과대학교 일반대학원 2012 국내박사

The proper response of biological system for various environments is a fundamental requirement for homeostasis of every living organism. About 23000 protein-coding genes are stored in the human genome, but all genes are not expressed for appropriate mediation of a given condition. Tissue-specific and condition-specific genes are presumed to be tightly regulated by set of activated transcription factors (TFs) among approximately 2600 TFs in each mammalian cell types. Gene expression is precisely regulated by combinatorial transcriptional machinery organized by transcription factors, chromatin-remodeling complexes, and recruited general transcription factors, including RNA polymerase II, in response to the activated signaling pathways triggered from cellular receptors that recognize changed cellular conditions. The occupation of transcription factors to promoters or enhancers they regulate is the initial step in the transcriptional regulatory process. However, how a cell regulates gene expressions for various conditions still remains poorly understood. In this thesis, I present systematic approaching methods for modeling transcriptional regulatory mechanism for a given cell type-specific and condition-specific gene through the integration of multiple resources between DNA motif detection and gene expression information. For identification of the hidden regulatory codes in the genome, modeling of transcriptional regulatory modules through prediction of transcription factor binding site (TFBS) was discussed as two issues. The first issue is for finding direct target genes of signal transducer and activator of transcription 3 (STAT3) by using its DNA sequence-dependent regulatory manner. I show that both of the reconstruction of position weight matrix (PWM) for STAT3 motifs and background correction using five background promoter sequences models can provide increased statistical and probabilistic prediction of true positive STAT3 TFBS discovery. In addition, STAT TFBSs predicted from the reconstructed PWMs for STAT family were highly overlapped in the same genome loci of the known functional STAT3 TFBSs and were positioned in the evolutionally conserved regions across homologous proximal promoter sequences of five mammalian species. In the application of these observed features of STAT3 TFBSs into STAT-Finder program, I also validated that our program can predict functional STAT3 TFBSs with more enhanced performance, low false positive and high true positive, and successfully identified eight novel STAT3 target genes among highly and commonly expressed genes in the multiple cancer cells, as an experimental validation of prediction modeling. The second issue is the features of STAT3 TFBSs as the generalizing criteria for the application of prediction to other TFs. I demonstrated that successful expansion of STAT-Finder program to TFBS-Screener program for available 368 TFs with supporting evidences using 51 TF ChIP-Seq (chromatin immunoprecipitation with massively parallel DNA sequencing) dataset as a golden positive. Furthermore, evaluated TFBS prediction results from multiple ChIP-Seq datasets for 26 TFs can provide cis-regulatory motifs module that might function coordinately in the TF bound ChIP loci in a given condition- or cell-type regulation without any pre-assumptions. For interpretation of the cellular contexts in various conditions, I discussed about the integration of heterogeneous microarray data for cell-type or condition-specific gene expression and its application for inference of cellular context. The first issue is for selection of significant genes which are specifically expressed in a given cell type from the heterogeneous microarray data. I found that the usage of maximum intensity value, among normalized intensities of clustered Probe Set IDs with high quality annotation, for a target gene in the Affymetrix platforms, enhanced integration efficiency between different microarray platforms of human and mouse. I also validated my developed integration methods through successful detections of known marker gene sets for the general embryonic stem cells, T-cells, and B-cells from the heterogeneous microarray data for various hematopoiesis lineage cell types. As the last part, the second issue is discussed about the applications of the heterogeneous microarrays and TFBS-prediction for screening putative transcription factors. I found that most of known regulatory TFs for the given target gene were highly discriminated from other TFs by static calculation of expression correlations between TF and the given target gene in the integrated microarrays for various conditions. For IL6 as the target gene model for experimental validation, I also identified that IRF7 is the novel TF that it contributes high level of IL6 mRNA in the complex condition by poly-(I:C), a synthetic analog of dsRNA for viral RNA genome, in conjunction with IL1-beta. In summary, I suggest flexible systematic modeling methods which can provide putative transcription factors for the initial step of transcriptional regulatory mechanism for a given target gene in a given condition. 다양한 외부환경에 대한 생명체의 적절한 반응은 모든 생명체들의 항상성을 유지하는데 기본이다. 인간의 유전체에 약 2300개의 단백질을 지정하는 유전자가 알려져 있지만, 주어진 조건에서 모든 유전자가 발현되지 않는다. 약 2600개의 전사조절인자들 중에서 각 세포 타입에서 활성화된 전사조절인자들에 의해 세포 특이적, 조건 특이적인 유전자들의 발현이 면밀히 조절된다고 추정하고 있다. 유전자 발현은 변화된 세포 외 조건을 인지하는 세포 수용체에서 비롯된 신호경로들에 의해 활성화된 여러 전사조절인자, 염색질-구조변형체, RNA 중합효소2의 의해 조합된 전사 조절체에 의해 면밀하게 조절된다. 전사 조절인자의 표적 유전자의 전사 조절부위들에 붙어 전사조절 과정을 시작한다. 그러나, 세포가 어떻게 다양한 조건들에서의 유전자를 조절하는지는 잘 알려져 있지 않다. 이를 해결하기 위해, 나는 이 학위논문에서 전사조절부위에서의 DNA 시퀀스의 특정한 반복된 구조의 추정결과와 유전자의 여러 발현경향 결과들을 통합하여, 특정 조건에서 발현되는 혹은 특정 세포에서 발현되는 유전자들의 전사조절 기작을 유추할 수 있는 시스템적 연구방법을 제안한다. 유전체에 숨겨진 조절암호들을 이해하기 위해, 전사조절인자의 전사인자 조절부위의 예측을 통한 전사조절계의 모델링을 두 주제로 설명을 했다. 첫 번째 주제는 전사조절인자인 STAT3의 전사조절 부위에 의한 전사조절기작 특징을 이용하여, 이에 의해 직접적으로 조절되는 표적유전자를 규명하는 이야기이다. 나는 전사조절부위들의 DNA 시퀀스들에 의해 유도된 ‘DNA 시퀀스 위치 별 가중행렬’의 재구성과 유전자 프로모터에서 일반적으로 나타나는 패턴에 대한 5가지 모델과의 비교를 통한 방법이 통계/확률적으로 보다 정확한 전사조절부위를 예측할 수 있음을 보여준다. 추가적으로, 알려진 STAT3의 전사조절부위들이 같은 위치에서 STAT 계열 단백질 그룹의 전사조절인자들의 전사조절부위들로 중복적으로 예측되고, 인간과 유사한 5가지 종들에서 진화적으로 보존된 유전체 부위에 존재함을 발견하였다. 나는 이 특징들을 이용하여 STAT-Finder 프로그램을 제작하여, 더욱 향상된 STAT3 전사조절부위를 예측하는 프로그램을 제작하였고, 이의 실험적 검증을 위해, 여러 암세포들에서 공통적으로 높게 발현되는 유전자들에서 STAT3에 의해 직접적으로 조절되는 8개의 신규유전자들을 규명하였다. 두 번째 주제는 STAT3의 전사조절부위를 예측하는데 이용했던 원리들을 다른 전사조절인자들에 응용에 관한 내용이다. 나는 보고된 26개의 전사조절인자에 대한 51개의 전체 유전체에서의 실험적 위치정보들을 이용하여, 다른 전사조절인자들도 좋은 효율로 예측됨을 증명하였다. 이 결과에서, 특정 전사조절인자에 대한 유전체에서의 여러 조절부위들에서 예측되는 여러 DNA 시퀀스 패턴들이 여러 전사조절인자들에 의해 매개되는 전사조절체를 또한 모델링할 수 있음을 보여주었다. 이는 내가 제안한 프로그램을 통하여, 특정 조건의 세포에서 얻어진 특정 전사조절인자에 대한 유전체의 여러 조절부위에서 이 전사조절인자와 함께 작용할 수 있는 다른 전사조절인자들 또한 예측할 수 있음을 의미한다. 전사조절 시작의 바탕이 되는 세포 내의 상황의 유추를 위하여, 나는 특정 세포 및 특정 조건의 유전자 발현에 대한 여러 마이크로어레이 정보를 통합하는 방법을 2가지 주제로 서술하였다. 첫 번째 주제는 다양한 마이크로어레이 정보들을 통하여 특정 세포에서 특정하게 발현하는 유의미한 유전자를 찾는 방법에 대한 것이다. 나는 ‘에피메트릭스’ 회사의 마이크로어레이 형식에서의 각 유전자에 대한 여러 발현 검출자에서 좋은 검출자들의 정보를 통합하고 이의 최고값을 대표값으로 사용하는 방법이 인간과 쥐에 대한 다른 형식의 마이크로어레이의 통합효과를 증진시킴을 발견하였다. 나는 혈액의 다양한 세포들에 대한 마이크로어레이 정보를 통합하여, 배아줄기세포, T 세포, B 세포들에서 이미 알려진 특이적 유전자들이 성공적으로 분석되는 것을 확인하여 이 방법론을 증명하였다. 마지막 주제로 다양한 마이크로어레이 결과의 통합과 전사조절 부위예측을 이용하여 전사조절 인자들을 예측하는 응용에 대해 서술한다. 나는 다양한 조건에 대한 마이크로어레이 정보를 통합한 결과에서 특정 유전자와 전사조절인자와의 연관성 발현 경향을 계산하여 다른 여러 전사조절인자들에서 그 특정 유전자의 발현조절에 기여하는 전사조절인자들을 구분할 수 있음을 발견하였다. 나는 인터류킨-6 유전자를 모델링을 증명할 유전자로 선정하고, 계산되어 예측된 인터페론 조절인자-7이 RNA 바이러스 유전체 유사체와 인터류킨-1의 처리조건에서 인터류킨-6의 전사체의 양을 증가시키는 새로운 전사조절인자임을 증명하였다. 요약하자면, 나는 특정 조건에서 특정 유전자의 전사조절 기작의 시작과정에 관여하는 후보군 전사조절인자들을 모델링 할 수 있는 유연한 시스템학적 방법론을 제시한다.