研究人員揭示超級增強子動態甲基化調控轉錄異質性

2020-11-28 生物谷

 

CpG DNA甲基化早在70年代就被提出是一種用來控制基因表達的DNA化學修飾，而我們對DNA甲基化在基因組不同區域的具體功能，在疾病、發育過程中所扮演的具體角色，以及控制基因表達的詳細機理，直到今天並沒有全面詳細的認知。

2019年8月15日，美國Whitehead研究所Rudolf Jaenisch聯合其他課題組在Molecular Cell上發表文章Dynamic Enhancer DNA Methylation as Basis for Transcriptional and Cellular Heterogeneity of ESCs。

研究人員選擇了Sox2和miR290-295的超級增強子作為研究對象。這兩個基因的超級增強子對於保持多能性有重要作用，而且其T-DMR在測序數據中顯示低水平甲基化。在Castaneous x 129 F1的mESC中（兩套基因組之前含大量SNP，便於區分不同allele），研究人員將兩個不同顏色的甲基化報告子通過CRISPR/Cas9 敲進Sox2或者miR290-295的超級增強子T-DMR，報告子的螢光可以實時反映在單細胞單染色體水平Sox2或者miR290-295 超級增強子位點的甲基化變化。

結果表明細胞間的Sox2， miR290-295 超級增強子的甲基化不但是異質性的，而且還是十分動態的。研究人員利用流式細胞分選 （FACS）純化出等位基因特異甲基化的細胞，在培養過程中這些細胞會重組之前的表觀異質性細胞群。利用這些胚胎幹細胞的動態變化和可純化性，研究人員通過基因敲除實驗發現甲基化的動態變化反映了三個甲基轉移酶（DNMTs）的活性動態平衡，揭示去甲基化的過程是被動的。同時動態的甲基化也導致了動態的H3K27ac在增強子和啟動子的同步變化。

研究人員還發現，miR290的不同等位基因超級增強子甲基化不會造成細胞生長或者表觀遺傳的不同，而Sox2如果兩個等位基因超級增強子都被甲基化，會導致細胞生長緩慢，全基因組H3K27ac變化，但卻還可以保留多能幹性分化成三個胚層。最後，研究人員用這些幹細胞構建了有兩個等位基因RGM顏色的SOX2-SE-TG和MIR290-SE-TG轉基因小鼠，通過分析這些小鼠的早期胚胎，發現囊胚的內細胞團中Sox2， miR290 超級增強子的甲基化也是異質性和動態變化的。而且由於Sox2和miR290的表達位置不同，在MIR290-SE-TG小鼠中滋養層的miR290 超級增強子甲基化也是異質性的。

該研究系統第一次實時在單細胞和單染色體水平在體外和體內同時地證明了增強子甲基化的動態調控，而這種動態調控是導致細胞間甲基化水平不同的基礎，並且會功能性地導致轉錄的異質性。該研究的方法學可以被利用到其他系統表觀遺傳異質性研究中，比如癌細胞，很多癌細胞顯示不正常的甲基化水平，而每個細胞的甲基化在不同位點、不同疾病階段的失控又是十分不同的。利用該研究，可以更細化地區分每個細胞在不同位點和不同時間點的甲基化調控，並且能得出是哪一個下遊基因由於甲基化失控導致轉錄失控，從而更好地理解發育、疾病、衰老的表觀遺傳調控進程。(生物谷Bioon.com）

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