2023年10月3日 理化研究所 名古屋大學(xué) 激活基因表達(dá)的超級(jí)增強(qiáng)子的再定義-鑒定疾病控制基因的新方法- 理化學(xué)研究所(理研)生命功能科學(xué)研究中心表觀遺傳控制研究小組(研究當(dāng)時(shí))的梅原崇史小組組長(zhǎng)(研究當(dāng)時(shí),現(xiàn)創(chuàng)藥蛋白質(zhì)分析基礎(chǔ)單元高級(jí)研究員)、南德斯研究員(研究當(dāng)時(shí))、 生命醫(yī)科學(xué)研究中心表基因組技術(shù)研究小組(研究當(dāng)時(shí))的蓑田亞希子小組組長(zhǎng)(研究當(dāng)時(shí),現(xiàn)radouboud大學(xué)副教授)、古關(guān)明彥副中心長(zhǎng)(免疫器官形成研究小組組長(zhǎng))、名古屋大學(xué)研究生院醫(yī)學(xué)系研究科腫瘤生物學(xué)教授近藤豐等共同研究小組, 通過以組蛋白[2]H4的高乙?;痆3]狀態(tài)為指標(biāo)重新定義強(qiáng)烈活化癌基因等表達(dá)的超級(jí)增強(qiáng)子,發(fā)現(xiàn)了與癌細(xì)胞干細(xì)胞[4]的控制相關(guān)的超級(jí)增強(qiáng)子。 在癌癥等疾病細(xì)胞中可以看到特定基因的表達(dá)失控的狀態(tài),這被認(rèn)為是與細(xì)胞增殖等相關(guān)的基因的控制區(qū)域形成超級(jí)增強(qiáng)子的原因之一。 到目前為止,超級(jí)增強(qiáng)子作為濃縮了在癌細(xì)胞中高表達(dá)的BRD4[5]等蛋白質(zhì)、表基因組[6]的構(gòu)成蛋白質(zhì)組蛋白H3的第27個(gè)蓖麻毒素殘基的乙?;? H3K27ac )的表基因組的區(qū)域 此次,共同研究小組利用人的癌細(xì)胞株膠質(zhì)母瘤細(xì)胞[4],以組蛋白H4的第5個(gè)和第8個(gè)蓖麻毒素殘基的乙?;? H4K5acK8ac )為指標(biāo),開發(fā)了鑒定在癌癥等疾病細(xì)胞中特異性發(fā)揮作用的基因的新方法。 本研究刊登在科學(xué)雜志《BMC Genomics》在線版( 9月27日)上。 背景我們的每一個(gè)細(xì)胞中含有的人類基因組DNA中存在約2萬種基因。 這些基因不能同時(shí)發(fā)揮作用,而是有調(diào)節(jié)每個(gè)細(xì)胞決定的基因在何時(shí)何地表達(dá)的機(jī)制。 其中之一是由一種叫做組蛋白的蛋白質(zhì)進(jìn)行的調(diào)節(jié)。 組蛋白作為4種核心蛋白質(zhì)( H2A、H2B、H3、H4 )各兩個(gè)組合而成的8聚體存在,通過像枕一樣纏繞DNA,將長(zhǎng)的DNA收納在核內(nèi)(圖1中為染色質(zhì)[2]結(jié)構(gòu)) 組蛋白受到乙?;图谆痆7]等修飾,改變?nèi)旧|(zhì)結(jié)構(gòu),調(diào)控著基因組DNA特定區(qū)域中基因的表達(dá)。 對(duì)組蛋白的化學(xué)修飾是可以撤消的(可逆的),與對(duì)DNA的可逆化學(xué)修飾甲基化一起被稱為“表觀遺傳控制”。 表觀遺傳學(xué)控制與個(gè)體一生中不變的DNA的堿基序列不同,是可逆地控制遺傳信息的結(jié)構(gòu)。 眾所周知,組蛋白對(duì)H3和H4的乙?;揎椩谌祟惖谋碛^遺傳學(xué)調(diào)控中起著重要的作用。 特別是,在存在于H4的n末端側(cè)的兩個(gè)蓖麻毒素殘基[8](K5和K8 )同時(shí)被乙?;母咭阴;癄顟B(tài)( H4K5acK8ac )的組蛋白上,在癌細(xì)胞中高表達(dá)的BRD4等蛋白質(zhì)結(jié)合,活化癌基因的表達(dá)(圖1下)。 圖1染色質(zhì)結(jié)構(gòu)與組蛋白高乙?;?/span> 將由4種核心蛋白質(zhì)( H2A、H2B、H3、H4 )各兩個(gè)組合而成的8聚體上纏繞的DNA稱為核小體,這是染色質(zhì)的單位結(jié)構(gòu)(上)。 各組蛋白受到乙酰化和甲基化等修飾,特別是存在于H4的n -末端的兩個(gè)蓖麻毒素殘基( K5和K8 )同時(shí)被乙?;?,稱為高乙酰化狀態(tài)( H4K5acK8ac ) (下)。 在特定細(xì)胞中表達(dá)特別多的基因具有在控制其表達(dá)的DNA區(qū)域具有多個(gè)被稱為增強(qiáng)子[1]的序列的特征。 具有這種長(zhǎng)調(diào)控序列的DNA區(qū)域被稱為“超級(jí)增強(qiáng)子”,多見于對(duì)細(xì)胞分化和功能重要的基因附近,逐漸明白也與癌基因的活化有關(guān)。 由于認(rèn)為超級(jí)增強(qiáng)子組蛋白多經(jīng)化學(xué)修飾,因此在以往的研究中,超級(jí)增強(qiáng)子被發(fā)現(xiàn)是與乙?;吐槎舅亟Y(jié)合的蛋白質(zhì)BRD4的定位、作為活化染色質(zhì)指標(biāo)的組蛋白H3的第27個(gè)蓖麻毒素殘基的乙?;? H3K27ac )等濃縮的基因組區(qū)域。但是最近有報(bào)告顯示,H3K27ac并不一定是基因表達(dá)活化所必需的。 這意味著,通過傳統(tǒng)方法找到的超級(jí)增強(qiáng)子可能包含不起作用的內(nèi)容。 另一方面,與BRD4結(jié)合的H4K5acK8ac可以作為超級(jí)增強(qiáng)子的標(biāo)記,但由于僅通過BRD4的定位無法特異性地檢測(cè)出H4K5acK8ac,因此很難精密確定想調(diào)查的細(xì)胞的表基因組的哪里形成了超級(jí)增強(qiáng)子。 研究方法和成果聯(lián)合研究小組在迄今為止的研究中,開發(fā)了在試管內(nèi)再現(xiàn)組蛋白H4的各種乙酰化狀態(tài)的技術(shù),應(yīng)用該技術(shù)開發(fā)了選擇性識(shí)別H4K5acK8ac的單克隆抗體[9] (注1、2 )。 本研究使用該抗體、識(shí)別H3K27ac的抗體、識(shí)別BRD4的抗體等,使用作為難治性癌的膠質(zhì)母瘤的細(xì)胞株,以精密確定在人膠質(zhì)母瘤細(xì)胞的表基因組的哪里形成了超級(jí)增強(qiáng)子為目標(biāo)。首先,使用上述抗體的染色質(zhì)免疫沉淀堿基序列測(cè)定( ChIP-seq )法ChIP-seq對(duì)于在膠質(zhì)瘤的干細(xì)胞株( GSC )、膠質(zhì)瘤細(xì)胞株( U87 )、小膠質(zhì)細(xì)胞株( C13 )中形成了什么樣的組蛋白修飾模式 結(jié)果,檢測(cè)到h4k 5a CK 8a-c的大多數(shù)表基因組區(qū)與h3k 27a-c、組蛋白H3的K4的三甲基化( H3K4me3)、BRD4的定位分別重疊,但與只檢測(cè)到h4k 5a CK 8a-c的表基因組區(qū)、或 這種趨勢(shì)在三種細(xì)胞株中都有出現(xiàn)。 此外,由于能夠看到特定組蛋白修飾模式的表基因組區(qū)域的數(shù)量在細(xì)胞株之間存在很大差異,因此發(fā)現(xiàn)以H4K5acK8ac為代表的組蛋白修飾在表基因組中的位置在每個(gè)細(xì)胞株中存在很大差異。 圖2膠質(zhì)母瘤相關(guān)細(xì)胞中組蛋白H4高乙?;推渌M蛋白修飾的分布 在膠質(zhì)瘤干細(xì)胞株( GSC,左)、膠質(zhì)瘤細(xì)胞株( U87,中央)、小膠質(zhì)細(xì)胞株( C13,右)中發(fā)現(xiàn)3種組蛋白修飾的表基因組區(qū)域與BRD4結(jié)合的表基因組區(qū)域的重疊情況用本圖表示。 三種組蛋白修飾( H3K27ac、H4K5acK8ac、H3K4me3)和BRD4在ChIP-seq分析中檢測(cè)到的表基因組區(qū)數(shù)目分別顯示在重疊位置。 近年來,關(guān)于癌癥發(fā)生的機(jī)制,少數(shù)干細(xì)胞制造大量癌細(xì)胞的“癌癥干細(xì)胞”的存在備受矚目。 因此,我們的目標(biāo)是找出H4K5acK8ac和H3K27ac在膠質(zhì)瘤干細(xì)胞株中的作用差異。 首先,將具有這兩個(gè)乙?;揎椀谋砘蚪M區(qū)域按照H4K5acK8ac的比率由低到高的順序分為6類,研究與在癌干細(xì)胞株中高表達(dá)的BRD4的共定位的比例是否每組發(fā)生變化,結(jié)果顯示H4K5acK8ac的比例 這與試管內(nèi)直接結(jié)合的分析結(jié)果一致,表明在細(xì)胞內(nèi),BRD4也與H3K27ac相比與H4K5acK8ac結(jié)合得更好。 通過阻礙BRD4和表基因組區(qū)域的結(jié)合,癌細(xì)胞的基因表達(dá)模式接近正常細(xì)胞的基因表達(dá)模式的情況已經(jīng)為人所知。 因此,我們分析了添加表基因組結(jié)合的抑制劑、被期待具有抗癌劑效果的化合物JQ1[11]時(shí)膠質(zhì)瘤干細(xì)胞株的表基因組。 結(jié)果表明,在與基因表達(dá)調(diào)控相關(guān)的啟動(dòng)子[1]和增強(qiáng)子中,添加JQ1使BRD4幾乎完全從表基因組解離,而H4K5acK8ac極其頑強(qiáng)地維持在表基因組中(圖3B )。 該結(jié)果與聯(lián)合研究組以前在肺癌細(xì)胞株上報(bào)告的結(jié)果注1 )一致,認(rèn)為H4K5acK8ac的頑強(qiáng)性是許多癌細(xì)胞表基因組共同存在的特征。圖3膠質(zhì)瘤干細(xì)胞株中H4K5acK8ac和BRD4的共定位及結(jié)合抑制劑的影響
此外,為了驗(yàn)證H4K5acK8ac是否成為超級(jí)增強(qiáng)子的指標(biāo),我們按照H4K5acK8ac和H3K27ac數(shù)量從多到少的順序?qū)υ鰪?qiáng)子區(qū)域進(jìn)行了排序(圖4 )。 這些乙?;揎椞貏e多的區(qū)域被認(rèn)為是明顯提高基因表達(dá)的超級(jí)增強(qiáng)子。 以H4K5acK8ac和H3K27ac各自的數(shù)量為指標(biāo)對(duì)該超級(jí)增強(qiáng)子進(jìn)行判定,調(diào)查被判定為超級(jí)增強(qiáng)子的區(qū)域所控制的靶基因時(shí)(圖4A、c ),約半數(shù)的超級(jí)增強(qiáng)子區(qū)域與控制靶基因重復(fù),但約4成的超級(jí)增強(qiáng)子區(qū)域和控制靶基因僅在H4K5acK8ac或H3K27ac的某一指標(biāo)中發(fā)現(xiàn)(圖4B )。 圖4通過以4 H4K5acK8ac為指標(biāo)的排序重新定義超級(jí)增強(qiáng)子 以H4K5acK8ac(A )或H3K27ac(C )的信號(hào)為指標(biāo)對(duì)膠質(zhì)瘤干細(xì)胞的增強(qiáng)子進(jìn)行了排序。 特別是信號(hào)數(shù)量多的超級(jí)增強(qiáng)子及其調(diào)控靶基因分別顯示在圖中。 橫軸表示從較少的一方開始排列檢測(cè)出的縱軸信號(hào)數(shù)時(shí)的順序。 圖的右側(cè)顯示了各個(gè)超級(jí)增強(qiáng)子控制的代表性基因。 基因右側(cè)括號(hào)內(nèi)的數(shù)字表示從縱軸信號(hào)數(shù)多的一方開始排列時(shí)的順序。 基因的顏色為,紅色為僅在H4K5acK8ac排序中發(fā)現(xiàn)超級(jí)增強(qiáng)子的控制靶基因,藍(lán)色為僅在H3K27ac排序中發(fā)現(xiàn)超級(jí)增強(qiáng)子的控制靶基因,黑色為在兩者排序中共同發(fā)現(xiàn)超級(jí)增強(qiáng)子的控制靶基因 本圖( b )顯示的是用H4K5acK8ac或H3K27ac判定的超級(jí)增強(qiáng)子(峰)的數(shù)量和調(diào)控靶基因的數(shù)量。 根據(jù)H4K5acK8ac和H3K27ac指標(biāo)判斷的近半數(shù)超級(jí)增強(qiáng)子不同,驗(yàn)證了僅在兩者各自指標(biāo)中被判斷為超級(jí)增強(qiáng)子的區(qū)域的作用。 在由H4K5acK8ac指標(biāo)判定的超增強(qiáng)子中,基于CRISPR/Cas9方法的基因組編輯[12]中缺失了控制癌基因( MYCN和NFIC )的、在H4K5acK8ac數(shù)量上位于前列的超級(jí)增強(qiáng)子,并驗(yàn)證了其影響。結(jié)果表明,超級(jí)增強(qiáng)子缺失不僅會(huì)顯著減少M(fèi)YCN和NFIC的表達(dá),而且會(huì)顯著降低膠質(zhì)瘤干細(xì)胞的細(xì)胞增殖能力,與膠質(zhì)瘤干細(xì)胞性相關(guān)的其他基因的表達(dá)也會(huì)顯著減少。 此外,膠質(zhì)瘤的干細(xì)胞會(huì)形成細(xì)胞粘附在一起的細(xì)胞團(tuán),但如果缺乏控制MYCN和NFIC的超級(jí)增強(qiáng)子,細(xì)胞團(tuán)的形成能力也會(huì)明顯降低(圖5 )。 另一方面,對(duì)根據(jù)H3K27ac指標(biāo)被特異性判定為超級(jí)增強(qiáng)子的多個(gè)基因組DNA區(qū)域也進(jìn)行了同樣的研究,但據(jù)本研究調(diào)查,沒有發(fā)現(xiàn)與用H4K5acK8ac指標(biāo)判定的超級(jí)增強(qiáng)子相同的傾向。 圖5以5 H4K5acK8ac為指標(biāo)發(fā)現(xiàn)的超級(jí)增強(qiáng)子對(duì)膠質(zhì)瘤干細(xì)胞性的干預(yù) 基因組編輯缺失癌基因超級(jí)增強(qiáng)子的膠質(zhì)瘤干細(xì)胞株的相位差圖譜。 光柵尺表示50微米( m,1 m為百萬分之一米)。 未進(jìn)行基因組編輯的細(xì)胞株(左)形成了作為培養(yǎng)干細(xì)胞特征的細(xì)胞塊,與此相對(duì),如果使控制MYCN (中)和NFIC (右)的超級(jí)增強(qiáng)子在基因組編輯中缺失,細(xì)胞塊的形成能力就會(huì)降低。 這些分析結(jié)果表明,除了以往的表基因組研究中作為超級(jí)增強(qiáng)子的判定標(biāo)準(zhǔn)之一的H3K27ac之外,H4K5acK8ac的檢測(cè)還是精密判定超級(jí)增強(qiáng)子的有效方法(圖6 )。 圖6以組蛋白H4高乙?;癄顟B(tài)為指標(biāo)的超級(jí)增強(qiáng)子的判定方法 作為活化染色質(zhì)指標(biāo)的H3K27ac判定的超級(jí)增強(qiáng)子,沒有與和癌癥關(guān)系密切的BRD4結(jié)合,而且即使在基因組編輯中缺失也仍然維持著癌癥干細(xì)胞性。 另一方面,在H4K5acK8ac中判定的超級(jí)增強(qiáng)子是BRD4結(jié)合的靶,如果在基因組編輯中缺失,則會(huì)喪失癌干細(xì)胞性。
今后的期待超級(jí)增強(qiáng)子作為在癌細(xì)胞和炎癥等疾病中失控疾病相關(guān)基因表達(dá)的一個(gè)原因,近年來備受關(guān)注。 在超級(jí)增強(qiáng)子的形成中,關(guān)鍵是許多癌細(xì)胞共同表達(dá)的BRD4等蛋白質(zhì)與表基因組的乙?;瘏^(qū)域結(jié)合。 但是,領(lǐng)導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)表基因組研究的國(guó)際聯(lián)盟注3,4 )推薦的分析組蛋白的乙?;揎梼H限于H3K27ac和組蛋白H3的第9個(gè)蓖麻毒素殘基的乙?;? H3K9ac )。 組蛋白的乙?;揎棾薍3K27ac和H3K9ac以外,還已知在許多組蛋白和殘基中發(fā)生,特別是組蛋白H4的高乙?;揎棻徽J(rèn)為是在使母細(xì)胞繼承表基因組信息、激活基因轉(zhuǎn)錄方面的重要修飾。注5 ) 本研究表明,以組蛋白H4的高乙?;揎桯4K5acK8ac為指標(biāo)的超級(jí)增強(qiáng)子的判定方法具有比傳統(tǒng)的超級(jí)增強(qiáng)子的判定方法更好的特點(diǎn)。 在這次的研究中,選擇了難治性疾病的一種膠質(zhì)母瘤細(xì)胞作為模型系統(tǒng),但是本方法無論細(xì)胞種類都可以利用。 今后,通過用這次開發(fā)的方法重新定義存在于各種疾病細(xì)胞中的超級(jí)增強(qiáng)子,可以期待與至今為止沒有發(fā)現(xiàn)的疾病控制基因的發(fā)現(xiàn)和疾病狀態(tài)的精密診斷技術(shù)的開發(fā)相聯(lián)系。 補(bǔ)充說明
聯(lián)合研究組理化研究所 生命功能科學(xué)研究中心 表觀遺傳學(xué)控制研究小組(研究當(dāng)時(shí)) 團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)(研究當(dāng)時(shí))梅原崇史 (現(xiàn)創(chuàng)藥蛋白質(zhì)分析基礎(chǔ)單元高級(jí)研究員) 研究員(研究當(dāng)時(shí)) Nando D. Das 技師(研究當(dāng)時(shí))渡邊壽美 生命醫(yī)學(xué)科學(xué)研究中心 表基因組技術(shù)研究小組(研究當(dāng)時(shí)) 團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)(研究當(dāng)時(shí))蓑田亞希子 (現(xiàn)拉德鮑多大學(xué)(荷蘭)副教授) 研究員(研究當(dāng)時(shí)) Jen-Chien Chang 特別研究員(研究當(dāng)時(shí)) S. Tomas Kelly 基因組信息分析小組 團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)Chung-Chau Hon 特別研究員(研究當(dāng)時(shí)) Marina Lizio 基因組控制網(wǎng)絡(luò)研究小組 研究員Bogumil Kaczkowski 生命醫(yī)學(xué)科學(xué)研究中心 副中心主任古關(guān)明彥 (免疫器官形成研究小組組長(zhǎng)) 免疫器官形成研究小組 研究員伊藤伸介 名古屋大學(xué) 研究生醫(yī)學(xué)系研究科腫瘤生物學(xué) 教授近藤豐 助教(研究當(dāng)時(shí))勝島啟佑 未來社會(huì)創(chuàng)造機(jī)構(gòu) 特任教授夏目敦至 研究支援本研究涉及日本學(xué)術(shù)振興會(huì)( JSPS )科研經(jīng)費(fèi)資助事業(yè)學(xué)術(shù)變革領(lǐng)域( a )“從DNA物性理解的基因組學(xué)(領(lǐng)域代表者:西山朋子)”,同基礎(chǔ)研究( b )“操作在癌細(xì)胞中頑強(qiáng)維持的超乙?;砘蚪M(研究代表者:梅原崇史) 同基礎(chǔ)研究( c )“以高乙酰化組蛋白H4為指標(biāo)的活化增強(qiáng)子的再定義(研究代表者: NAND das )”,日本醫(yī)療研究開發(fā)機(jī)構(gòu)( AMED )新一代癌癥醫(yī)療創(chuàng)制研究事業(yè)“以與癌細(xì)胞分化控制相關(guān)的表基因組為目標(biāo)的創(chuàng)新療法的開發(fā)(研究代表者:近藤豐 AMED創(chuàng)新前沿研發(fā)支持事業(yè)( AMED-CREST )“基于表基因組研究的診斷·治療新技術(shù)的創(chuàng)造(研究綜述:山本雅之)”的研究課題“表觀遺傳增強(qiáng)子動(dòng)態(tài)調(diào)控機(jī)制的闡明及其在細(xì)胞功能調(diào)控中的應(yīng)用(研究代表者:古關(guān)明彥) 科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)( JST )戰(zhàn)略性創(chuàng)造·研究推進(jìn)事業(yè)·個(gè)人型研究( PRESTO,先驅(qū))“細(xì)胞功能的構(gòu)成性理解和控制(研究領(lǐng)域總結(jié):上田泰己)”的研究課題“'表核苷酸體’的精密重構(gòu)引起的基因表達(dá)·控制分析(研究者:梅原崇史)”等的資助下進(jìn)行。 原論文信息
主講人 理化研究所 生命功能科學(xué)研究中心 表觀遺傳學(xué)控制研究小組(研究當(dāng)時(shí)) 團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)(研究當(dāng)時(shí))梅原崇史 (現(xiàn)創(chuàng)藥蛋白質(zhì)分析基礎(chǔ)單元高級(jí)研究員) 研究員(研究當(dāng)時(shí)) Nando D. Das 生命醫(yī)學(xué)科學(xué)研究中心 表基因組技術(shù)研究小組(研究當(dāng)時(shí)) 團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)(研究當(dāng)時(shí))蓑田亞希子 (現(xiàn)拉德鮑多大學(xué)(荷蘭)副教授) 生命醫(yī)學(xué)科學(xué)研究中心 副中心主任古關(guān)明彥 (免疫器官形成研究小組組長(zhǎng)) 名古屋大學(xué) 研究生醫(yī)學(xué)系研究科腫瘤生物學(xué) 教授近藤豐 |
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