细胞科学杂志。2013年2月15日;126(4): 999–1008.
RARγ对维甲酸诱导的胚胎干细胞染色质重塑和转录激活至关重要
,1,4,* ,1,* ,2 ,三 ,2和1,2,4,‡
瓦森德拉·卡西亚普
1美国纽约州纽约市纽约大道1300号康奈尔大学威尔医学院药理学系,邮编:10065
4美国纽约州纽约市约克大道1300号威尔生物医学研究生院,邮编:10065
克里斯蒂安·劳尔森
1美国纽约州纽约市纽约大道1300号康奈尔大学威尔医学院药理学系,邮编:10065
法比恩·布伦特
2美国纽约州纽约市约克大道1300号康奈尔大学威尔医学院医学系,邮编:10065
艾格尼斯·维亚尔
三美国纽约州纽约市约克大道1275号斯隆-凯特琳纪念癌症中心基因组核心实验室,邮编:10021
约瑟夫·斯坎杜拉
2美国纽约州纽约市约克大道1300号康奈尔大学威尔医学院医学系,邮编:10065
洛林·J·古达斯
1美国纽约州纽约市纽约大道1300号康奈尔大学威尔医学院药理学系,邮编:10065
2美国纽约州纽约市约克大道1300号康奈尔大学威尔医学院医学系,邮编:10065
4美国纽约州纽约市约克大道1300号威尔生物医学研究生院,邮编:10065
1美国纽约州纽约市纽约大道1300号康奈尔大学威尔医学院药理学系,邮编:10065
2美国纽约州纽约市约克大道1300号康奈尔大学威尔医学院医学系,邮编:10065
三美国纽约州纽约市约克大道1275号斯隆-凯特琳纪念癌症中心基因组核心实验室,邮编:10021
4威尔生物医学研究生院,美国纽约州纽约市约克大道1300号,邮编10065
*这些作者对这项工作贡献均等
结果
微阵列分析鉴定WT和RARγ基因敲除ES细胞差异表达基因
为了鉴定ES细胞中的RARγ调节基因,我们对ES RARγ基因敲除(RARγ)进行了微阵列分析−/−)与野生型ES细胞在不同培养条件下进行比较。我们培养了WT和RARγ−/−带有车辆控制或1的单元格 8或24μM RA h.8 h和24 h时间点允许我们检查RA诱导的转录物变化的动力学。第8个 h时间点还提供了捕获早期转录变化的优势,这些早期转录变化不太可能是与细胞分化相关的次要变化。
未经治疗的WT与RARγ共有152个转录物受到三倍或更多的差异调节−/−ES细胞(). 在这152个差异表达的转录本中,80个转录本的表达水平降低(;补充材料表S2A),78个转录物显示RARγ水平升高−/−在车辆处理(未处理)条件下,细胞与WT细胞的比较(;补充材料表S2B). 这些数据表明RARγ在缺乏配体的情况下调节基因表达的作用,正如我们在畸胎瘤干细胞中证明的RARα(Laursen等人,2012年). 此外,共有56和72个转录物在WT和RARγ中受到三倍或更多的差异调节−/−8岁和24岁时的ES细胞 分别治疗RA h(;补充材料表S3A、B、表S4A、B).
WT和RARγ转录水平的微阵列分析−/−ES细胞。(A类)RA治疗24天后转录水平升高的基因 h.白色圆圈显示RA在WT ES细胞中诱导的基因;灰色圆圈显示RA在RARγ阴性ES细胞中诱导的基因。RARγ−/−如前所述生成ES细胞(Kashyap等人,2011年). 微阵列数据来自一个单细胞克隆ES细胞系。(B)未经治疗(仅限车辆)WT和RARγ之间差异表达的基因−/−24时的单元格 h.白色圆圈显示未处理WT中的基因表达水平高于RARγ−/−细胞。灰色圆圈显示未经处理的RARγ中基因表达水平较高−/−与WT相比(C类)RA治疗24天后转录水平下降的基因 h.白色圆圈显示WT细胞中RA抑制的基因。灰色圆圈显示RARγ中RA抑制的基因−/−细胞。通过实时RT-PCR验证的基因以粗体显示。请注意,维恩图仅描述了每组中确定的基因的子集(有关完整列表,请参阅补充材料表S2–S7). (天)WT和RARγ转录水平验证−/−通过终点PCR检测ES细胞。Meis1、Lrat、Hoxa1、Stra6和Pknox2显示RARγ中RA依赖性诱导减少−/−细胞相对于WT,而Stra8和Cdx1是在缺乏RARγ的情况下诱导的。DNMT3L、Suv39h1和Tex13在WT和RARγ之间差异表达−/−ES细胞与RA无关。在D中进行多次实验,结果相同;示出了具有代表性的样品。
RA对WT和RARγ基因敲除细胞的转录调控不同
为了确定RA治疗调控的基因,我们分析了WT和RARγ的折叠变化−/−ES细胞独立于8和24 与每个细胞系的未处理对照组相比,RA治疗h。在第8和第24天,WT ES细胞中共有29和91个转录物增加了2.5倍 RA治疗h与未治疗WT相比(;补充材料表S5、S6). 根据Weill Cornell生物信息学核心员工的建议,选择了2.5倍的截止线。WT ES细胞中许多已知RA靶基因的转录水平因RA治疗而增加,例如Hoxa和Hoxb簇基因以及Cdx1、RARβ2和Gata6(;补充材料表S5、表S6A). 24小时后,40个基因的转录水平下降 RA在WT细胞中处理h(;补充材料表S6B、表S7B). 与之前的研究一致,干细胞标记物Zfp42(Rex1)的转录水平在24小时后降低了2.7倍 RA处理WT细胞h(;补充材料表S6B). 只有少数基因(Otx2、FGF17、Krt1-17和Tdh)在WT和RARγ中的表达水平降低−/−RA处理24个细胞 小时(;补充材料表S6B、表S7B).
相反,RARγ中只有23个转录本增加了2.5倍或更多−/−RA治疗24小时后的ES细胞 h与未经处理的RARγ相比−/−(补充材料表S7A). 第8个 h RA治疗未引起RARγ中任何转录物水平的显著(>2.5倍)变化−/−ES细胞与未经处理的RARγ的比较−/−ES细胞。24小时后,WT细胞中大量转录物受到2.5倍或更多的差异调节 RA治疗h后,RARγ未出现2.5倍或更多的统计学显著变化−/−ES细胞(;补充材料表S4A). 因此,RARγ参与调节这组基因,我们的结果还表明,其他RAR,即RARα和RARβ,不完全补偿RARγ的损失。然而,即使在没有RARγ的情况下,RA也能诱导Stra8、Dleu7、Leftb、Pitx2和Cdx1超过3.8倍。
基因本体研究表明,绝大多数在RARγ中表达减少的基因−/−细胞是参与形态发生、轴形成和组织模式形成的同源盒基因(Meis1、Pknox2、Pbx1、Foxq1、Gbx2和Hox基因)。RARγ在RA的轴规范中起着关键作用(Bayha等人,2009年). 诱导Hoxa1、Hoxa2、Hoxb1和Hoxb2参与菱形/后脑的形成(Gavalas等人,2003年),在RARγ中丢失−/−ES细胞。Anxa5、Anxa2、F2r、F2rl1和Gap43水平降低表明RARγ损伤伤口愈合−/−老鼠。此外,一些P450细胞色素(Cyp1b1、Cyp26a1和Cyp7b1)的转录水平在RARγ中降低−/−细胞,表明代谢异常。最后,RARγ中Col4a1、Col4a2、Ccnd2、Lama1、Pik3r1、PDGFRα和Zyxin的表达减少−/−与WT的对比表明,RARγ中的局灶粘附可能受损−/−ES细胞,这可能导致细胞流动性和/或侵袭性增加。
RARγ调节RA介导的维甲酸代谢相关基因转录水平的变化,包括Stra6系列,Cyp26a1细胞,拉特和螃蟹2,在ES细胞中
因为我们之前观察到在ES分化过程中参与视黄醇代谢的几个基因的表达发生了变化(兰顿和古达斯,2008年),我们通过实时RT-PCR评估了在维甲酸代谢途径中起作用的几个基因的mRNA水平,以确定它们是否受到RARγ的调节。RA显著增加了WT细胞中Stra6、Lrat、Crabp2和Cyp26a1的转录水平,但RARγ中没有−/−RARγ在维甲酸代谢调控中的作用(). Stra6是一种膜结合受体,与血清视黄醇结合蛋白(RBP4)结合,RBP4是血液中视黄醇的载体,Stra6通过STAT5促进视黄醇和细胞信号的摄取(Berry等人,2011年;Kawaguchi等人,2007年). Stra6基因突变可导致广泛的缺陷,包括无眼症、肺发育不全、膈疝、胰腺畸形、智力低下和先天性心脏缺陷(Golzio等人,2007年;Pasutto等人,2007年). Lrat是一种将细胞内视黄醇转化为视黄醇酯的酶;这些酯是维甲酸在细胞中的储存形式(Amengual等人,2012年;Batten等人,2004年;郭和古达斯,1998;刘和古达斯,2005年;O'Byrne等人,2005年;Zolfaghari和Ross,2000年). Crabp2参与将RA从细胞质运输到细胞核(诺伊,2000年),Cyp26a1在ES细胞中将RA代谢为极性代谢产物(兰顿和古达斯,2008年;怀特等人,1997年). 实时PCR验证表明,RA介导的Stra6、Crabp2和Cyp26a1转录水平增加的动力学相似(). 所有三份成绩单最早在8月增加 添加RA后h,48小时表达增加 WT ES细胞中RA处理h(). 相反,Stra6、Crabp2和Cyp26a1转录物在RARγ−/−单元格(). WT ES细胞Lrat mRNA水平早在8 添加RA后h,在24时达到最大值 RA治疗h后,Lrat mRNA水平下降(). 在RARγ中,Lrat转录水平没有增加−/−RA处理的细胞(). 作为内部对照,测量参考基因36B4(Rplp0)的mRNA水平,并与RA治疗保持不变().
RA调节维甲酸代谢基因的诱导。(A–E)WT和RARγ中Lrat、Stra6、Cyp26a1、Crabp2和36B4(对照)的转录水平−/−ES细胞。实验使用独立的RNA样本进行了三次(▪ 重量;△ RARγ−/−); 误差条表示平均值的标准误差(标准误差)。(F类)Lrat基因组区域的ChIP芯片热图,显示WT和RARγ中的H3K9/14ac、H3K27me3和H3K4me3组蛋白标记−/−增加RA暴露次数(0、1、8和24 h、 黑色三角形)。颜色表示日志2-ChIP-ChIP数据集中转化的ChIP富集(复制方法)。列显示基因组位点,行显示IP状态。统计显著性:*P(P)<0.05, **P(P)<0.01, ***P(P)<0.005. 日志的色标2富集显示在ChIP-ChIP数据面板下方。Lrat的基因组位置(蓝色调)示意性地显示在底部。
RA治疗使Lrat基因发生表观遗传学改变
RA的转录诱导通常与转录允许标记水平的增加有关,如H3K9/14ac和H3K4me3,而转录抑制标记水平,如沉积的多梳(PcG)H3K27me3,则降低(Gillespie和Gudas,2007年b;Kashyap和Gudas,2010年;Wu等人,2009年). RA治疗24 h导致WT ES细胞中Lrat转录水平增加约10倍()然而,H3K9/14ac标记水平在RA反应中没有显著增加(). 表观遗传标记H3K4me3在WT和RARγ中的水平相似−/−ES细胞(). 我们还发现,未经治疗的WT和RARγ中Lrat基因与抑制性H3K27me3标记相关−/−ES细胞。虽然RA治疗导致WT ES细胞中H3K27me3标记降低,但RARγ中H3K27me3水平仍然很高−/−事实上,24小时的H3K27me3水平 RA处理的h值高于未处理的RARγ−/−单元格(). 因此,我们的数据表明RA和RARγ通过拮抗PcG介导的抑制在Lrat转录激活中发挥作用。我们还表明,RARγ不需要用于H3K4me3的定位,这是一种通常与转录活性染色质相关的表观遗传标记(Sims和Reinberg,2006年)并且该标记的存在不足以在RA处理的RARγ中激活Lrat的转录−/−细胞。
RARγ调节转录因子的转录水平
我们进一步验证了几个转录因子的转录水平,这些转录因子在发育过程中分化的不同方面起着关键作用,并且在WT和RARγ中差异表达−/−单元格(). Meis1和Pbx1是同源域转录因子,作为Hox蛋白的辅因子发挥作用,并调节分化的不同方面(Chang等人,1996年;费瑟斯通,2003;Shanmugam等人,1999年;Shen等人,1996年;Shen等人,1997年;Soprano等人,2007年). 在不同类型的白血病中观察到这些辅助因子与Hox蛋白的联合失调表达(埃克伦德,2007年;Wang等人,2006年). Pbx1是胚胎发生过程中骨骼形态形成、肾上腺和胰腺发育、泌尿生殖器官分化、肾发生和发育中胎儿肝脏造血维持所必需的(Moens和Selleri,2006年). 小鼠的Meis1破坏是胚胎致死性的,而Meis1缺陷的胚胎在眼睛、血管生成和造血方面存在缺陷(Azcoitia等人,2005年;Hisa等人,2004年). Meis1在急性髓系白血病中的表达升高,在含有与MLL(混合谱系白血病)家族成员易位的融合蛋白的白血病中,Meis1具有致癌潜力(Kawagoe等人,1999年;Wong等人,2007年). Pbx1和Meis1 mRNA水平在24小时后增加 WT细胞中RA处理的h,转录水平继续增加至48 RA治疗h(). 相反,RA没有增加RARγ中Pbx1和Meis1转录水平−/−单元格().
RA调节转录因子的诱导。(A–E)WT和RARγ的转录水平−/−Meis1、Pbx1、Wt1、Gbx2和Barx1的ES细胞。使用独立的RNA样本(填充正方形、WT、开放三角形、RARγ)进行三次实验−/−); 误差线表示标准误差(F类)Meis1近端启动子区的ChIP-ChIP热图显示WT和RARγ中的H3K9/14ac、H3K27me3和H3K4me3组蛋白标记−/−增加RA暴露次数(0、1、8和24 h、 黑色三角形)。颜色表示日志2-ChIP-ChIP数据集中转化的ChIP富集(复制方法)。DS1和DS2表示下游站点1和2;PP表示近端启动子区域。列显示基因组位点,行显示IP状态。统计显著性:P(P)<0.05, **P(P)<0.01, ***P(P)<0.005. 日志的色标2富集显示在ChIP-ChIP数据面板下方。Meis1外显子(宽)和内含子(窄)的位置(蓝色调)以示意图的形式显示在底部。
Wt1(Wilm’s tumor gene)编码一种转录因子,该转录因子在泌尿生殖系统的正常发育中起重要作用,并且在肾肿瘤Wilm’sTumor的一种患者亚群中发生突变(Kreidberg等人,1993年;Pelletier等人,1991a;Pelletier等人,1991b). RA在48小时时增加Wt1 mRNA水平 WT细胞中出现h,但RARγ中Wt1 mRNA水平无RA依赖性增加−/−单元格().
Gbx2(原肠胚形成脑同源盒2)是大脑中/后脑区域正常发育和内耳形态发生所必需的(Lin等人,2005年;Wassarman等人,1997年). 在WT细胞中,RA处理导致Gbx2 mRNA水平增加不到两倍。RARγ中Gbx2 mRNA水平持续降低−/−细胞与WT细胞的比较().
Barx1是一种同源域转录因子,在胃间质和间质来源的磨牙牙细胞中表达(Makarenkova和Meech,2012年). 未经处理的WT细胞中Barx1 mRNA水平比未经处理RARγ低70倍−/−单元格(). 48岁 RA治疗h后,RARγ中Barx1 mRNA水平下降约25%−/−细胞,而WT细胞中Barx1转录水平没有改变(). 因此,RA介导需要RARγ的多个分化和发育相关基因转录水平的变化。为什么RA在分化WT ES细胞时高度调控这些特异性基因尚不清楚。
RA诱导WT细胞Meis1基因RARγ依赖性表观基因组重组
因为Meis1的异常调节与白血病有关(Kawagoe等人,1999年;Wong等人,2007年)我们对癌症的分化治疗感兴趣,接下来我们进一步详细研究了RA诱导Meis1转录水平增加的动力学。我们假设RA信号会导致Meis1基因的表观遗传改变,RARγ的丢失会阻止该基因的染色质改变。在WT细胞中,RA在近端启动子和位于Meis1基因转录起始位点(TSS)下游的特定区域(DS1和DS2)诱导H3K9/14ac水平快速增加(
). H3K9/14ac表观遗传标记通常与转录活性基因相关(Jenuwein和Allis,2001年). 相反,与WT细胞相比,RARγ细胞中Meis1基因启动子和下游基因内区域的H3K9/14ac水平要低得多(;)与WT和RARγ中Meis1转录水平相关−/−单元格(). 在未经治疗和RA治疗的WT和RARγ中,Meis1基因启动子周围的区域H3K4me3标记升高−/−单元格(;).
H3K9/14ac、Suz12和H3K4me3与特定的Meis1元素相关。Meis1 P的ChIP分析参考序列WT和RARγ中的(pp)和Meis1下游元素(DS1和DS2)−/−ES细胞评估(A类)H3K9/14ac;(B)Suz12;和(C类)H3K4me3与三个Meis1元素中的每一个相关。(天)IgG用作阴性对照。每个实验至少重复三次,从新鲜的细胞开始,并通过定量PCR进行评估。数据绘制为相对于IgG背景的褶皱富集。请注意,每个面板中的y轴不同。数值为三个独立实验的平均值±标准偏差。统计显著性:*P(P)<0.05; 不另作说明,不重要。未经处理的灰色条;RA治疗24天 h、 黑色条。
Meis1位于二价染色质结构域中,例如与PcG蛋白沉积的抑制性H3K27me3标记相关(Boyer等人,2006年)以及上述允许的H3K4me3标记。到24 RA治疗h后H3K27me3标记降低()以及Suz12蛋白水平()在WT细胞的启动子和Meis1基因体中。然而,在RARγ中−/−细胞H3K27me3标记和Suz12水平保持在24 RA治疗h(;). 因此,通过RARγ的RA信号可对抗PcG介导的Meis1基因的抑制,RARγ缺乏可阻止从Meis1基因组中去除H3K27me3标记().
综上所述,这些数据表明,在Meis1基因中,RARγ(或其下游靶点)是RA诱导的表观遗传结构变化(包括H3K9/14ac标记)所必需的。然而,在Meis1启动子处沉积H3K4me3标记并不需要RARγ,并且H3K4me3标记与RA处理的RARγ中Meis1的转录无关−/−单元格().
Meis1启动子近端区域缺乏功能性维甲酸反应元件(RARE)
RA的作用是通过RARE介导的,因此表观基因组结构对RA的反应发生了巨大变化,在ChIP-ChIP图中产生了热点。我们评估了Meis1近端启动子区域(定义为TSS−/+40 kb),并确定了三个在RA反应中表现出显著表观遗传变化的位点(). 鉴于RARγ在调节Meis1基因中的关键作用,我们进一步确定了这三个位点的维甲酸受体γ(RARγ)和维甲酸受体α(RXRα)水平(). 与RARγ相比,WT中的RARγ水平略有升高−/−所有评估区域的细胞,但在任何一个特定区域都没有表现出特异性富集。所有这些区域的RXRα水平与IgG相似(对). 我们检测到RXRα在Cyp26a1启动子上的结合,我们的阳性对照(补充材料图S1)与我们之前的研究一致,表明Cyp26a1是RA的直接靶基因(Kashyap等人,2011年). 因此,Meis1近端启动子区域似乎缺乏功能性RARE。
RARγ、RXRα、H3K27ac、p300和PolII-CTD与特定Meis1元素的关联。Meis1 P的ChIP分析参考序列WT和RARγ中的(pp)和Meis1下游元素(DS1和DS2)−/−ES细胞评估(A类)RARγ(B)RXRα(C类)H3K27ac(天)第300页,和(E类)PolII-CTD和三个Meis1元素中的每一个。(F类)IgG用作阴性对照。每个实验至少重复三次,从新鲜的细胞开始,并通过一式三份的定量PCR进行评估。数据绘制为IgG背景上的褶皱富集。数值为三个独立实验的平均值±标准偏差。统计显著性:*P(P)<0.05; 不另作说明,不重要。未经处理的灰色条;接受RA治疗24小时 h、 黑色条。
与WT细胞相比,RARγ基因敲除细胞中的Pol II、p300和组蛋白乙酰化降低
在WT细胞中,我们检测到RA诱导的Pol II富集,最显著的是在Meis1的启动子近端区域。与WT细胞相比,我们在未经治疗和RA治疗的RARγ中检测到低水平的Pol II−/−细胞,表明RA不能增加RARγ中Pol II的水平−/−单元格().
我们还评估了H3K27ac标记与WT和RARγ中共激活物p300(KAT3B)的招募的相关性−/−ChIP的ES细胞。H3K27ac标记与活性增强子和启动子相关,该表观遗传标记对抗与PcG沉默相关的抑制性H3K17me3标记(Creyghton等人,2010年;Pasini等人,2010年;Vernimmen等人,2011年). 此外,转录共激活物p300具有组蛋白乙酰转移酶活性,并被招募到基因组中的调节增强子元件中(Heintzman等人,2009年;Visel等人,2009年;Wang等人,2005年). RA处理WT后,Meis1基因近端启动子和DS1和DS2下游位点的H3K27ac标记水平增加,但RARγ没有增加−/−单元格(). 我们在未经处理的WT细胞中观察到p300在近端启动子和两个下游区域的低水平富集。RA治疗后,Meis1基因的p300水平没有显著增加,但WT中H3K27ac和p300关联的水平始终高于RARγ−/−单元格(,).
RARγ2是RA诱导Meis1转录的必要条件
由于在通过ChIP-ChIP分析确定的Meis1 DS1和DS2区域中未检测到RARγ(或RXRα)的显著结合,我们决定进一步验证对RARγ的要求。我们利用shRNA在功能上和特异性上耗尽RARγ,从而对Meis1的RARγ依赖性诱导提供了独立的验证。RARγshRNA敲除将RARγ转录水平降低至WT细胞中的约25%水平,从而将Meis1转录水平降低到shLuc对照组的21%和45%(24和48) 分别治疗RA h(). 此外,我们发现shRNA敲低RARγ并不降低RARα和RARβ转录水平(补充材料图S2). 这些数据证实RA通过RARγ在ES细胞中的作用诱导Meis1的转录。
RARγ敲除降低Meis1转录水平,异位RARγ2在RARγ中−/−细胞恢复Meis1转录水平。(A类)在WT ES细胞中,稳定shRNA敲除RARγ后,24和48天内源性Meis1转录水平分别下降到21%和45% 实时RT-PCR评估RA治疗h。相对靶向荧光素酶(shLuc)的对照shRNA,通过表达RARγ特异性shRNA(shRARγ),RARγ转录水平降低至25%。统计显著性:*P(P)<0.05, **P(P)<0.01, ***P(P)在类似条件下,相对于WT电池<0.005。(B)在RARγ中−/−ES细胞异位表达RARγ2恢复了Meis1转录物的RA应答水平。结果显示来自两个独立克隆(1和2)。统计显著性表示为*P(P)<0.05, **P(P)<0.01, ***P(P)<0.005(相对于未处理的细胞)。
接下来,我们确定是否可以通过重新引入RARγ来恢复Meis1的RA反应性2,这是主要表达的RARγ亚型。我们生成了两个独立的细胞系,它们在体外表达RARγ2在RARγ零背景中。然后我们评估了两个RARγ中每一个的Meis1 mRNA水平2恢复细胞系(). 我们观察到两种RARγ中的Meis1转录物2与RARγ相关的修复细胞系−/−ES细胞系(WT:19-22倍,克隆1:10-12倍,克隆2:19-33倍,每个都与RARγ中Meis1转录水平有关−/−细胞,P(P)<0.005(对于任一治疗条件)。异位RARγ的表达2通过评估RARγ证实了该盒2恢复细胞系中的转录水平。Meis1对异位RARγ的RA反应性恢复2表达表明RARγ2对于与RA相关的Meis1转录物的增加来说,这既是必要的也是充分的。
讨论
我们利用微阵列分析鉴定WT和RARγ中的RARγ调节基因−/−有无RA时培养的ES细胞。微阵列数据分析揭示了RA激动剂存在时RARγ在基因调控中的重要作用(;补充材料表S4A、B)在没有配体的情况下,我们观察到大量基因即使在未经治疗的RARγ中也受到不同的调节−/−与WT ES细胞相比(;补充材料表S2A、B). 此外,我们发现许多基因的转录水平在24 野生型ES细胞中RA处理的h,从而使RA参与基因抑制(;补充材料表S6B).
RARγ与转录因子和多梳抑制复合物的相互作用
干细胞中RARs和多梳群(PcG)蛋白调节转录之间的拮抗性功能性串扰,引发了许多关于维甲酸调节基因中PcG蛋白募集和置换的机制细节的问题。值得注意的是,PcG蛋白EZH2也已被证明与雌激素受体活性阻遏物(REA)、雌激素受体联合阻遏剂以及一位报道者的EZH2-抑制雌激素诱导的转录直接相关(Hwang等人,2008年). 这些发现要求鉴定RAR介导的转录的共同调节因子,该调节因子可能将PcG蛋白与干细胞中RA靶基因结合并靶向。我们发现,在ES细胞中没有RA的情况下,多梳蛋白Suz12与RARγ相互作用,并且这种相互作用在添加RA后被消除;然而,这种相互作用可能不是通过直接结合,而是通过与其他转录调控因子(如共同阻遏物)的联系来桥接(Amat和Gudas,2011年). 重要的是,通过使用RARγ−/−我们已经证明,缺乏RARγ不会干扰Hoxa和Hoxb簇上PcG介导的H3K27me3标记和其他RA靶点(如Cyp26a1)的基础关联(Kashyap等人,2011年)和梅斯1().
给出不同细胞系的不同染色质特征和转录谱(Kashyap和Gudas,2010年)RAR可能以细胞类型依赖的方式与其他转录因子发生串扰。事实上,RAR的细胞特异性功能可能与在其各自谱系的生物功能中起关键作用的转录因子一起执行。RAR与其他转录因子(如Foxa1)的相互作用(Hua等人,2009年),要求询问和鉴定可能调节ES细胞中RAR功能的其他转录因子。我们已经确定的一些转录因子被RARγ转录激活(,)在胚胎干细胞中对RA的反应是扮演这种角色的候选者。
RARγ是Lrat基因RA-相关表观遗传变化所必需的
我们的数据显示RA增加了WT中Lrat转录水平,但不增加RARγ−/−单元格(). 我们证明,从Lrat基因中去除H3K27me3标记需要RARγ,而不能去除Lrat近端启动子区特异性抑制性H3K17me3标记与RA在RARγ中缺乏转录激活有关−/−单元格(). H3K4me3标记的位置不需要RARγ,且该标记的存在不足以激活RARγ中的Lrat转录−/−单元格(). 我们在2内未检测到DR2或DR5 RARE Lrat转录起始位点的kb 5′或3′,表明Lrat可能在距离编码区一定距离处具有RARE,或者Lrat是一个次级RAR靶基因。Lrat近端启动子区缺少H3K9/14ac标记表明,Lrat的RA诱导主要由H3K27me3抑制标记的分离调节,这是WT中观察到的特征,但RARγ中没有−/−单元格().
RA对Meis1转录激活涉及PcG介导的抑制和RARγ介导的表观遗传激活的丧失
WT ES细胞中的RA信号导致Meis1基因转录激活标记H3K9/14ac的相关性增加,同时Pol II水平增加(——). 这些依赖RA的表观遗传变化在RARγ中减弱或缺失−/−与RA处理的RARγ中Meis1转录水平显著降低相一致−/−单元格(——). 重要的是,我们没有发现H3K4me3标记的位置与RA对Meis1的转录激活之间有任何相关性。与H3K27me3标记一样,H3K4me3标记是独立于RARγ招募的,因此产生了一个二价结构域(). 在WT细胞的这种环境中,RA激活RARγ会导致H3K27me3标记的局部缺失,从而改变抑制性和允许性H3K4me3组蛋白标记之间的平衡。此外,RA诱导的共激活物招募有利于组蛋白乙酰化,进一步增强转录诱导。我们确认了通过shRARγ耗尽RARγ在诱导Meis1中对RARγ的需求(),但我们没有在Meis1近端启动子区的DS1和DS2区域检测到RARγ或RXRα的结合(;). 这表明Meis1可能是ES细胞中RARγ的间接次级靶点。或者,RAR/RXR结合可能发生在远处的增强子区域(+40 kb)。Meis1近端启动子区存在保守的Pbx1结合位点(Magnani等人,2011年)提示RARγ可能通过或可能与Pbx1协同诱导Meis1。
结论
我们的分析表明,RA处理WT ES细胞后,许多基因表达降低;事实上,虽然有91个基因被RA上调,但有40个基因,包括Otx2和Zfp42,在24岁时被RA下调 h.这表明除了配体诱导的转录外,还有非感觉RA信号。一些基因,包括DNMT3L、Suv39h1和Tex13,在WT和RARγ之间差异表达−/−不依赖RA治疗的ES细胞。因此,RARγ可能具有与最近报道的RARα类似的配体依赖性功能(Laursen等人,2012年). 我们的研究数据还得出了关于ES细胞中RA-反应基因表观遗传修饰的新结论。首先,在ES细胞中放置H3K4me3表观遗传标记不需要RARγ,并且该标记的存在不足以激活RA应答基因Lrat和Meis1的转录激活。此外,缺乏RARγ增加了H3K27me3标记与Meis1近端启动子的关联,但与下游元件DS1和DS2无关。总之,这些数据为RA诱导胚胎干细胞表观遗传变化的类型提供了新的见解。
材料和方法
ES细胞系的衍生和培养
细胞系如前所述进行衍生和培养(Kashyap等人,2011年). 全反式维甲酸(RA;产品目录号2625,西格玛化学公司,密苏里州)。RA(1 µM)添加到细胞24 细胞涂布后h,乙醇(0.1%)作为载体对照。
RARγ基因敲除细胞系的建立
病毒颗粒的产生和ES细胞的转导先前已有描述(Benoit等人,2009年). 简言之,使用Lipofectamine 2000(目录号11668,Invitrogen,CA)将敲除载体pLKO shRARγ(hair-pin序列5′-CCCAGAGACTCTCTAT-3′)或pLKO-shLuc(对照)以及包装载体pCMVΔ8.9和pVSV-G(目录号631530,Clontech,CA)转染到HEK293T细胞中。经过一夜恢复后,用新鲜培养基替换培养基,并允许细胞产生额外的48种病毒 采集上清液前h,通过0.45过滤 µm过滤器,并辅以聚丁二烯。用病毒上清液以1∶1的比例和2×培养基转染WT ES细胞。约16 h后,用添加了最终浓度为0.5的嘌呤霉素(产品目录号P7255,Sigma Chemical Co.,MO)的培养基替换培养基 µg/ml,在选择培养基中繁殖10天。在此之后,培养基中不包括嘌呤霉素。
稳定克隆的生成
pRosa26-SV40 mRARγ2将表达载体稳定导入RARγ−/−ES细胞。简而言之,将含有Hygromycin表达盒的pRosa26表达载体转染到RARγ−/−根据制造商的说明,使用LTX Plus试剂(目录号15338,Invitrogen,CA)的ES细胞。使用最终浓度为100的潮霉素(目录号10687,Invitrogen,CA)进行稳定克隆的选择 µg/ml,持续10天。用mRARγE7(+)/mRARγE8(−)引物对克隆进行PCR筛选。334例患者的gDNA纯化成功 bp PCR产物,而241个额外的PCR产物证明了转基因的整合 bp。阳性克隆中的转基因表达通过162 使用rβ-珠蛋白5′C/rβ-球蛋白3′B引物对的bp PCR产物,该引物对跨越pRosa26-SV40载体的β-珠蛋白质内含子。此外,通过western blotting验证了RARγ蛋白的生成(数据未显示)。
RNA分离和反转录
使用Trizol试剂(目录号15596,Invitrogen,CA)提取总RNA。在260℃时通过光密度对RNA进行定量 纳米。RNA(1 µg)被使用Quanta逆转录混合物(产品目录号95048,Quanta Biosciences,MD)逆转录到cDNA。将获得的cDNA稀释10倍 使用微升稀释cDNA进行定量PCR反应。
抗体和化学物质
抗-H3K27ac(07-360)、抗H3K4me3(07-473)和抗H3K9/14ac(06-599)抗体购自Millipore(Billerica,MA)。抗-RXRα(D-20,sc-553)、抗p300(N-15,sc-584)和抗IgG(sc-2030)抗体购自Santa Cruz Biotechnology(加州圣克鲁斯)。RNA聚合酶II(pCTDser5)的抗磷酸Ser-5羧基末端结构域(CTD)购自Covance Research Products(加利福尼亚州里士满)。抗-RARγ(ab12012)和抗-H3K27me3(ab6002)购自Abcam Inc.(马萨诸塞州剑桥)。