Know your neighbors: investigating the influence of gene co-localization on transcriptional dynamics

Bowdoin College, Brunswick ME

Investigators

Linked publications & trials

Abstract

In the crowded and dynamic three-­dimensional space of the nucleus, active genes often share  local neighborhoods with one another. Despite significant recent progress in analyses of 3D  positioning of genes, it is not yet fully understood how the co-­localization of genes plays a role in  their transcriptional output. The long-­term goal of this research is to understand how a gene?s  expression is influenced by its neighbors in space and time. The study of how co-­localized  genes share local resources has the potential to shed significant light on fundamental  mechanisms of transcription, but progress has been severely limited by a reliance on methods  that examine transcription and 3D position separately in fixed or disrupted tissues. The objective  of this proposal is to uncover the impact of gene co-­localization on transcriptional dynamics in  living cells to provide a dynamic spatiotemporal quantification of transcription for genes that  share a local 3D neighborhood. To address this objective, the proposal focuses on Drosophila  melanogaster and takes advantage of a phenomenon called transvection, where sequences at  allelic positions on homologous chromosomes are stably co-­localized via a process called  somatic homolog pairing. Furthermore, the proposed experiments employ the MS2 and PP7  systems for live analysis of transcriptional dynamics, which permit simultaneous quantification of  transcriptional activity and assessment of the 3D positions of genes over time in living cells. The  central hypothesis guiding the proposal is that co-­localization of genes via somatic homolog  pairing will result in the sharing of local stores of resources necessary for transcription, which  can be understood by analyzing how co-­localization influences the parameters of transcriptional  dynamics, including the frequency, duration, and amplitudes of transcriptional bursts. This  hypothesis is tested in the context of two contrasting scenarios resulting from co-­localization of  genes via transvection: in one scenario, co-­localized promoters in cis and in trans to an  enhancer compete for activation, while in a second scenario, co-­localized enhancers cooperate  to achieve augmented levels of transcriptional output. The proposed experiments have the  expected outcome of identifying precisely and quantitatively how interactions between co-­ localized genes influence transcriptional dynamics, providing key insights into mechanisms by  which 3D genome organization controls gene expression.