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.2011年10月28日；147(3):577-89.
doi:10.1016/j.cell.2011.09.044。

世系调节器在分化和再生过程中将BMP和Wnt途径导向细胞特异性程序

埃里尼·特隆波基 1, 特蕾莎·V·鲍曼, Lee N Lawton先生, 范子鹏, 戴振武, 安东尼·迪比亚斯, 科里·S·马丁, 詹妮弗·切赫, 安娜·K·塞萨, 乔斯琳·勒布朗, 李普林, 埃伦·杜兰德, 克里斯蒂安·莫西曼, 加勒特·C·赫夫纳, 乔治·戴利, 罗伯特·保尔森, 理查德·A·杨, 伦纳德一区
附属公司

世系调节器在分化和再生过程中将BMP和Wnt途径导向细胞特异性程序

埃里尼·特隆波基等。 单元格. .

摘要

BMP和Wnt信号通路通过激活转录因子SMAD（BMP）和TCF（Wnt）控制基本细胞反应。在这里，我们表明急性损伤后造血谱系的再生依赖于这些信号通路中的每一条的激活，以诱导关键血液基因的表达。SMAD1和TCF7L2与造血基因附近的主调控因子共存。此外，SMAD1和TCF7L2在多能干造血祖细胞向红细胞分化的过程中都遵循主要血统调节因子的结合。此外，红系细胞中髓系调节因子C/EBPα的诱导将SMAD1的结合转移到C/EBPβ新占据的位点，而红系调节因子GATA1的表达直接导致SMAD1在非红系靶点上的丢失。我们的结论是，由BMP和Wnt信号通路介导的再生反应与谱系主调节器耦合，以控制定义细胞特性的基因程序。

PubMed免责声明

利益冲突声明

利益冲突：L.I.Z.是Fate，Inc.的创始人和股东，也是Stemgent的科学顾问。G.Q.D.是MPM Capital，Inc.、Epizyme，Inc.和iPierian，Inc.科学咨询委员会的成员。

数字

图1
图1。BMP和Wnt通路调节造血再生
A.辐射诱导造血再生模型示意图。在第0天用20Gyγ射线照射成年斑马鱼，在第2天处理，然后通过流式细胞术或QPCR对全肾骨髓（WKM）进行解剖和分析。B.激活Wnt和BMP途径可促进斑马鱼的再生。在Wnt（左）和BMP（右）路径操作后，描绘WKM中相对于野生型对照的前体相对频率+/-SEM的图表。*p<0.05和**p<0.005，使用学生t检验计算的p值，比较野生型对照组和治疗组的兄弟姐妹。C.Wnt（左）和BMP（右）通路的激活导致关键造血基因的上调。分别在热休克诱导Wnt8a或BMP2b转基因表达后两天，来自野生型、Hs:Wnt或Hs:BMP的WKM细胞相对基因表达+/-SEM的QPCR图。*p<0.05，使用学生t检验计算的p值，比较野生型对照组和治疗组的兄弟姐妹。D–E类。再生期间，Gata2与Smad1共同定位于小鼠祖细胞的造血靶点。D.辐照模型示意图。在6.5 Gy照射7天后，对从小鼠分离的血统阴性祖细胞进行Smad1和Gata2的ChIP。E.全细胞提取物（输入）、Gata2和Smad1 ChIP的QPCR。与输入控制相比，条形图显示相对富集+/−SEM。*p<0.05和**p<0.005，通过比较ChIP DNA和输入对照的学生t检验计算的p值。另请参见图S1。
图2
图2。SMAD1和TCF7L2与红系血统的关键调节因子共同占据基因组
A.GATA1基因座的基因轨迹显示了特定基因组区域沿x轴的TCF7L2（紫色）、GATA1（红色）、GATA 2（橙色）和SMAD1（绿色）结合，以及y轴上每百万次读取的总次数。B.SMAD1和TCF7L2与GATA1和GATA2共同占据基因组区域。区域图表示K562细胞中相对于所有TCF7L2或SMAD1结合区域，GATA1和GATA2结合区域−2.5至+2.5 kb的分布。C.全细胞提取物（输入）、SMAD1和对照小鼠IgG的QPCR、GATA2的顺序ChIP和SMAD1 ChIP上的对照兔IgG。与输入控制相比，条形图显示相对富集+/−SEM。*p<0.08和**p<0.04，***p<0.0005，通过比较SMAD1 ChIP与输入以及SMAD1 ChIP与SMAD1-GATA2顺序ChIP的学生t检验计算的p值。D.SMAD1和TCF7L2的共调校是血统调节器特有的。热图描绘了K562细胞中指示因子共同定位的相对水平，以及该细胞系中的开放染色质数据。E.E2F4和CTCF绑定与TCF7L2或SMAD1无关。测定了每个TCF7L2位点（左）和SMAD1位点（右）的中心到由所示转录因子结合的最近位点中心的距离。这些距离被分为箱（x轴）。显示了每个箱子中绑定位置的总和（y轴）。另请参见图S2。
图3
图3。信号因子与远端增强子的谱系调节因子合作
A.TCF7L2和SMAD1区域与GATA因子在内含子和基因间区域共同定位。K562细胞中GATA因子所占据的富集区可分为仅由GATA、TCF7L2和GATA或SMAD1和GATA所占据的区域。E2F4显示为控件。每个区域都映射到它们最近的RefSeq基因：远端启动子（蓝色）、近端启动子（红色）、外显子（绿色）、内含子（紫色）和基因间区域（浅蓝色）B。与GATA因子共定位的TCF7L2和SMAD1区域主要占据增强子区域。K562细胞中TCF7L2和GATA共结合区、SMAD1和GATA共同结合区或仅由GATA占据的区域的复合H3K4me1-BIO（紫色）和H3K4me1-BMP4（绿色）富集图谱。C.LMO2基因座的基因轨迹。LMO2报告子的图表显示了构建物中包含的增强子和启动子区域，如下所示。D.SMAD1和TCF7L2与GATA2合作并增强靶基因的转录。图中描述了报告者+/-SEM过度表达各栏下所列转录因子后的β-半乳糖苷酶活性*p<0.06，**p<0.01，使用学生t检验计算的p值，比较模拟转染对照组与单独GATA2以及SMAD1/GATA2或TCF7L2/GATA2联合转染GATA2。Wnt和BMP信号增强p300向血液特异性靶点的募集。ChIP-PCR图显示Wnt（左）和BMP（右）通路激活或抑制后p300占用*p<0.06，**p<0.01，通过比较抑制剂处理样品和活化剂处理样品的学生t检验计算的p值。
图4
图4。TCF7L2和SMAD1与细胞类型特异性谱系调节因子共同占据基因组区域
A.描述TCF7L2（顶部）和SMAD1（底部）在K562和U937细胞中结合区域重叠的维恩图。显示了每个单元格行中或两者重叠中由每个因子绑定的区域数。B.区域图，将K562和U937细胞中TCF7L2和SMAD1的富集区域与GATA1和GATA2（顶部）或C/EBPα（底部）区域进行比较。C.HEMGN（左）和CXCR4（右）的基因轨迹显示K562细胞（上）和U937细胞（下）中TCF7L2、SMAD1、GATA1、GATA 2和C/EBPα的差异结合。D.描绘GATA1、GATA2、TCF7L2和SMAD1在K562细胞中的共同定位以及C/EBPα、TCF7 L2和STAD1在U937细胞中的联合定位的热图。另请参见图S4。
图5
图5。K562细胞C/EBPα表达再定位与SMAD1结合
A.C/EBPα-ER K562实验模型示意图。B.K562细胞中由C/EBPα（y轴）共占的SMAD1位点的百分比显示为K562（无C/EBPβ）细胞和由C/EBP-α（+C/EBPγ）诱导的细胞。计算中使用了每种条件下的前1000个SMAD1结合位点。C.SLC6A9（左）和ALAS2/APEX2（右）的基因轨迹显示K562细胞（顶部）SMAD1中GATA1、GATA2和SMAD1的差异结合，以及表达C/EBPα（中间）和U937细胞（底部）的K562中C/EBPβ的差异结合。
图6
图6。Smad1本地化由Gata1指导
A.G1E、G1ER实验示意图。B.Flt3（顶部）和Alas2（底部）的基因轨迹显示G1E Gata1-null细胞（前红细胞）中Gata2和Smad1的差异结合，以及G1ER红细胞中Gata1和Smadl的差异结合（分化）。C.Gata1的过度表达重新定义了Smad1的目标。ChIP-seq区域图表示G1E中Smad1和Gata2结合的区域分布，以及G1ER细胞中Gata1和Smad1结合的区域的分布，相对于G1E和G1ER中所有Smad1的结合位点−2.5 kb和+2.5 kb。
图7
图7。分化过程中信号因子的结合发生变化
A.CD34+实验示意图。B.CD38、ETV6、ALAS2和EPB4.2的基因轨迹显示未分化CD34+祖细胞中GATA2、SMAD1和TCF7L2的差异结合，以及分化成红细胞中的GATA1和SMAD1的差异结合。C.CD34+造血细胞向红细胞分化后，SMAD1结合主要局限于红细胞基因。ChIP-seq区域图表示CD34祖细胞中SMAD1占据区域的分布（pro）和体外分化成红细胞（ery）。CD34+祖细胞中的GATA2和SMAD1，以及红系分化CD34细胞中的SMAD1和GATA1，相对于CD34祖细胞和分化红细胞中的所有SMAD1结合区域−2.5至+2.5 kb。另请参见图S7。
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