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瑞典卡罗林斯卡医学院Eckardt Treuter/范荣荣组揭示巨噬细胞炎症染色体调控机制

已有 601 次阅读 2021-1-27 08:58 |个人分类:小柯生命|系统分类:论文交流

北京时间2021年1月27日凌晨0时,瑞典卡罗林斯卡医学院 (Karolinska Institute) Eckardt Treuter范荣荣课题组在Molecular Cell杂志发表论文“The corepressors GPS2 and SMRT control enhancer and silencer remodeling linked to eRNA transcription during inflammatory activation of macrophages”。


该研究揭示了转录因子抑制子 (corepressor)在染色质调控元件增强子和沉默子 (silencer)的调节机制,对公认的基因转录调控过程提出了疑问。该论文的第一作者为博士后黄志强


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巨噬细胞是一类高度可塑化的先天免疫细胞。这些细胞能够被不同的信号分子激活并且快速改变基因表达,从而表现出不同的功能[1]。巨噬细胞的炎症反应在转录水平上是通过染色质重塑 (remodelling) 来调控的,这个过程需要两个关键元素,一是基因组调控原件; 二则是转录调控因子,主要指转录因子和共调控因子 (coregulator) 复合体。

 

增强子(enhancer)是基因组最重要的的调控元件之一,并且是转录因子和共调控因子的富集区域。这些转录相关的复合体是如何在不同信号条件下影响染色质重塑的过程目前并不清楚[1]。一般观点认为,增强子区域在激活信号刺激下能够富集转录因子激活子 (coactivator),进而经由环状结构和基因启动子 (promoter) 结合并招募转录复合体,促进基因转录[2]。

 

该课题组在早先的研究中鉴定出了一个巨噬细胞的抑制因子G-蛋白抑制体2 (GPS2)。该蛋白是一个转录抑制因子,并且在巨噬细胞中能够通过和阻遏体SMRT协同影响染色质表观调控从而抑制细胞的炎症反应[3]。GPS2被发现在肥胖与2型糖尿病人的组织巨噬细胞中的表达与疾病有高度相关性,并在动物实验中得到了证实。

 

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在本研究中,研究人员们利用染色质沉淀测序 (ChIP-seq) 对GPS2, SMRT富集的区域进行了全基因组的分析。结果发现GPS2和SMRT和公认的转录因子激活子的富集区域高度重合, GPS2和SMRT虽然是转录因子抑制子,却能够用来预测超级增强子 (super enhancer)。

 

研究人员进一步利用CRISPR技术在巨噬细胞基因组中的CCL2基因位点删除了GPS2富集的两个增强子区域,令人惊讶的是,其中一个具有增强子所有特征 (开放染色体,转录因子富集区域,组蛋白激活标记) 的调控区域在删除后CCL2的基因表达不但没有降低反而出现了大幅度增加。这证明染色体增强子并不一定总是促进基因表达,其中相当一部分区域并不是真正意义上的’增强子’,而是’沉默子’ (silencer)。无独有偶,在近期Nature Genetics发表的研究论文同样发现全基因组具有功能的沉默子很大一部分均具有增强子的特征[4]。

 

那么这些沉默子和增强子是如何来调控基因表达的呢? 因为增强子和沉默子均是由转录因子复合体调控的,研究人员分别在两个CCL2调控元件删除的细胞中利用4C测序和染色质沉淀测序技术检测了不同转录因子和共调控因子的全基因组结合阈。令人惊讶的是,虽然CCL2的两个调控元件都和启动子区域形成了环状结构,敲除增强子的同时降低了所有转录复合体在沉默子和启动子的结合。然而删除了沉默子对增强子和启动子的转录复合体的功能不但没有抑制反而大大增强。

 

进一步的研究显示,沉默子与增强子/启动子形成了两个相对独立的功能单位,沉默子能够和增强子竞争性的结合启动子,从而影响基因的表达,令人不解的是转录因子抑制复合体GPS2/SMRT抑制增强子的活性,同时却又是沉默子抑制功能的必要条件。这个功能是如何在分子水平上实现的目前并不可知。

 

增强子和沉默子的功能能不能利用染色质的不同特征来进行区分呢? 为了回答这个问题,研究人员利用GRO-seq技术对全基因组所有转录的RNA来进行测序。利用这一技术,研究人员发现虽然CCL2的增强子和沉默子均是有大量的组蛋白激活标记的开放区域,但只有增强子区域有大量的RNA转录。

 

研究人员利用小分析核酸阻遏了增强子RNA之后发现不仅增强子和启动子之前的环状结构受到了影响,而且转录复合体在增强子区域的富集也显著减少,这也为目前争论不休的增强子RNA功能学说提供了进一步的证据。

 

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研究人员进一步利用巨噬细胞特异性的转导技术将CCL2增强子RNA干扰核酸转入了肥胖小鼠的脂肪巨噬细胞中。在年轻肥胖小鼠模型中,转导CCL2增强子在体内能够降低CCL2的基因表达,并且在早期显著遏制巨噬细胞的脂肪组织浸润并改善小鼠的胰岛素抵抗,这进一步证明了利用小分子核酸干扰组织特异性的增强子具有疾病治疗的潜力,这种针对组织巨噬细胞的表观遗传学的治疗手段具有潜在的临床意义。

 

论文通讯作者Eckardt Treuter教授说:“本研究揭示的转录抑制因子在增强子和沉默子元件中的双重功能令人惊讶,这些因子和特异性的转录因子相互协同来调控染色质的三维结构,这无疑是非常重要的。”

 

共同通讯作者范荣荣教授表示:“绕过转录因子直接利用增强子RNA来调控增强子是一个具有高度组织特异性的基因靶向方法,通过对不同组织不同信号条件下的全基因组分析来选择疾病特异性的增强子,从而进行干预将是一个令人激动的治疗手段。”

 

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从左到右依次为本文的第一作者黄志强博士,共同通讯作者范荣荣教授和Eckardt Treuter教授。


本研究受到了瑞典国家研究理事会、瑞典医学会创新基金、诺和诺德基金会和卡罗林斯卡基金会的支持。

 

相关论文信息:

https://doi.org/10.1016/j.molcel.2020.12.040

 
参考文献

1.Davis Frank M. & Gallagher Katherine A. Epigenetic Mechanisms in Monocytes/Macrophages Regulate Inflammation in Cardiometabolic and Vascular Disease. Arterioscler. Thromb. Vasc. Biol. 39, 623–634 (2019).

2.Robson, M. I., Ringel, A. R. & Mundlos, S. Regulatory Landscaping: How Enhancer-Promoter Communication Is Sculpted in 3D. Mol. Cell 74, 1110–1122 (2019).

3.Fan, R. et al. Loss of the co-repressor GPS2 sensitizes macrophage activation upon metabolic stress induced by obesity and type 2 diabetes. Nat. Med. 22, 780–791 (2016).

4.Pang, B. & Snyder, M. P. Systematic identification of silencers in human cells. Nat. Genet. 52, 254–263 (2020).




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