Epigenetic regulation through the formation and resolution of R loops

Wistar Institute, Philadelphia PA

Investigators

Linked publications & trials

Abstract

Project Summary  Chromatin, the packaging for DNA in the eukaryotic nucleus, is a dynamic entity that is affected  by cellular processes such as replication, transcription and repair.  Our views on gene regulation  have  evolved  from  simple  notions  about  changes  in  DNA  sequence,  to  a  more  complex  perspective  that  takes  into  account  multiple  epigenetic  factors  such  as  chromatin  structure,  chromatin composition and three-­dimensional genome organization.  Over the last decade, much  attention  has  been  devoted  to  epigenetic  alterations  in  chromatin,  including  post  translational  modifications  of  chromatin  components,  long  non-­coding  RNAs  that  localize  to  and  regulate  genes,  and  most  recently  large  scale  changes  in  genome  organization  that  affect  interactions  between distant genomic regions.  However, one aspect of epigenetic gene regulation that has  received a surprisingly small amount of attention is the changes in chromatin structure that occur  as a consequence of transcription.  Transcription is pervasive, with over 90% of the eukaryotic  genome producing RNAs.  The common chromatin structures that result from, and depend on  transcription, such as R loops, are likely to contribute significantly to epigenetic gene regulation.   But  exactly  how  is  not  known.    R  loops  are  triplex  nucleic  acid  structures  formed  during  transcription when an RNA, either an mRNA or a long non-­coding RNA, invades dsDNA, forming  an RNA-­DNA hybrid and a displaced ssDNA.  Under normal conditions, R loops function in all  aspects of gene regulation, but aberrant formation of R loops, or mutations in components that  regulate them, is associated with several neurodegenerative diseases and cancers.  R loops are  especially  relevant  in  repeat  expansion  disorders  where  their  unscheduled  formation  results  in  aberrant transcription and disease pathology.  But what causes R loops to form aberrantly or be  resolved  once  created  remains  unknown.    Identifying  the  molecular  players  that  function  at  R  loops is an important step toward targeting R loops for therapies for neurological disorders.  We  will develop new methodologies to isolate and identify R loop regulators, create a framework of  molecular  tools  to  elucidate  mechanisms  of  these  regulators  and  finally  undertake  a  molecular  screening  approach  to  identify  factors  that  facilitate  transcription  through  a  pathogenic  R  loop  forming repeat.  As a result, we expect to identify new regulators of R loops that can lead to novel  therapeutic candidates for neurodegenerative repeat expansion disorders.