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Polycomb对人胚胎干细胞发育调控因子的调控

李东彦（Tong Ihn Lee）等。 单元格. .

摘要

多囊群蛋白质对后生动物的早期发育至关重要，但它们对人类发育的贡献尚不清楚。我们已经在人类胚胎干细胞（ES）基因组的整个非重复部分绘制了多梳抑制复合物2（PRC2）亚单位SUZ12的图谱。我们发现SUZ12分布在200多个编码关键发育调节因子的基因的大部分区域。这些基因被组蛋白H3K27处三甲基化的核小体占据，受到转录抑制，并且包含基因组中一些最保守的非编码元件。我们发现PRC2靶基因在ES细胞分化过程中优先激活，ES细胞调节因子OCT4、SOX2和NANOG共同占据了这些基因的一个重要亚群。这些结果表明，PRC2在ES细胞中占据了一组特殊的发育基因，这些基因必须被抑制才能保持多能性，并且在ES细胞分化过程中处于激活状态。

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数字

图1
图1。人类胚胎干细胞的全基因组芯片
（A） 使用染色质免疫沉淀法（ChIP）分离出与RNA聚合酶II或SUZ12起始形式结合的DNA片段，并使用DNA微阵列进行鉴定，该微阵列包含460多万个独特的60聚体寡核苷酸探针，跨越人类基因组的整个非重复部分。补充数据中详细描述了ES细胞生长和质量控制、抗体、ChIP协议、DNA微阵列探针设计和数据分析方法。（B） 来自全基因组ChIP-ChIP的RNA聚合酶II ChIP信号示例。图中显示了基因组区域内所有探针的未处理富集比率（蓝色）（ChIP与整个基因组DNA）。染色体位置来自人类基因组的NCBI构建35。基因按比例显示在下图中（外显子用竖线表示）。转录的开始和方向用箭头表示。（C） 来自全基因组ChIP-ChIP的SUZ12 ChIP信号示例。图中显示了基因组区域内所有探针的未处理富集比率（绿色）（ChIP与整个基因组DNA）。染色体位置、基因和标记如（B）所述。（D） 图表显示了RNA聚合酶II（蓝色）、SUZ12（绿色）、两者（黄色）或两者都不结合（灰色）的所有注释基因的百分比。（E） SUZ12（绿线）和RNA聚合酶II（蓝线）的RefSeq、Ensembl、MGC、UCSC已知基因和H-Inv数据库中结合探针和最近转录起始位点之间的距离分布。结合探针的数量以总探针的百分比表示，并按起始位置400 bp的间隔计算。所有探针和最近转录之间距离的零分布显示为黑线。
图2
图2。SUZ12与ES细胞中EED、组蛋白H3K27me3修饰和转录抑制相关
（A） 维恩图显示了SUZ12高置信结合的基因、EED高置信结合基因和H3K27高置信三甲基化基因的重叠。这些数据来自启动子微阵列，其中包含在转录开始时分为-8 kb和+2 kb的探针。在高置信度下被SUZ12结合的基因中，72%也在高置信度下被EED结合；其他人受EED约束的置信度较低（图S6）。（B） SUZ12（顶部）、EED（中部）和H3K27me3（底部）占用率神经元1图中显示了该基因组区域内所有探针的未处理富集率（SUZ12 ChIP与全基因组DNA、EED ChIP与整个基因组DNA、H3K27me3 ChIP与总H3 ChIP）。染色体位置来自NCBI构建的人类基因组35。神经元1如图所示（外显子用竖线表示）。转录的开始和方向用箭头表示。（C） PRC2占据的604个基因和H3K27处三甲基化基因在ES细胞中的相对表达水平。比较了四种ES细胞系和79种分化细胞类型。每行对应一个由SUZ12结合的基因，与EED和H3K27me3相关，Affymetrix表达数据可用。每列对应于一个表达微阵列。ES细胞按以下顺序排列：H1、H9、HSF6、HSF1。对于每一个基因，根据右边的刻度，表达是相对于所有样本中该基因的平均表达水平显示的，红色阴影表示高于平均表达，绿色阴影表示低于平均表达。细胞类型按组织或器官功能分组，基因根据其在ES细胞中相对表达水平的重要性排序。
图3
图3。SUZ12占据基因的细胞功能
（A） 将SUZ12或RNA聚合酶II结合的基因与生物过程基因本体分类进行比较；显示了高度代表性的类别。本体术语显示在年轴线；富集显著性的p值沿x个轴（绿色的SUZ12，蓝色的RNA聚合酶II）。（B） SUZ12结合的发育转录因子家族的精选实例。SUZ12由绿色椭圆形表示；如图所示，单个转录因子用圆圈表示，并按家族分组。标记了在发育中具有明确作用的转录因子的示例。转录因子家族包括同源盒蛋白（HOX）、含有基本螺旋-环-螺旋结构域、B类（BHLHB）、HOX辅因子（MEIS/EVX）、无距离同源盒（DLX）、叉头盒（FOX）、神经元、GATA结合蛋白（GATA）、runt相关转录因子（RUNX）、配对盒和配对样（PAX）、LIM同源盒（LHX）、，正弦眼同源异型盒同源物（SIX）、NK转录因子相关物（NKX）、SRY盒（SOX）、含有POU结构域的3类和4类（POU）、早期B细胞因子（EBF）、无张力同源物（ATOH）、毛和分裂蛋白增强子（HES）、肌原性基本结构域（MYO）、T盒（TBX）、尾型同源盒（CDX）和易洛魁同源盒蛋白（IRX）。
图4
图4。SUZ12占据编码转录因子的大部分基因，在发育中发挥作用
（A） SUZ12靶基因部分与不同大小的结合域相关。基因根据其功能分为四类：信号、粘附/迁移、转录和其他。（B） SUZ12（绿色）和RNA多酶II（蓝色）在编码发育调节因子TBX5和PAX6的基因上结合的示例。图中显示了基因组区域内所有探针的未处理富集比率（ChIP与整个基因组DNA）。基因按比例显示在下图中（外显子用竖线表示）。转录的开始和方向用箭头表示。（C） SUZ12（绿色）和RNA聚合酶II（蓝色）在−500 kb区域的结合谱HOX公司集群A–D显示了基因组区域内所有探针的未处理富集比率（ChIP与整个基因组DNA）。近似值HOX公司簇区域大小用黑色条表示。
图5
图5。SUZ12结合与高度保守区域相关
（A） SUZ12占用率（绿色）和保守元素如所示NKX2-2型和邻近的基因组区域。图中显示了该基因组区域内所有探针的未处理富集比率（SUZ12 ChIP与整个基因组DNA）。从PhastCons程序（Siepel等人，2005）导出的LoD得分大于160的保守元素（红色）显示为比例尺高于绘图。基因在图中按比例排列（外显子用竖线表示）。下面还显示了更高分辨率的视图。（B） SUZ12（绿色）和RNA聚合酶II（蓝色）结合区内保守非编码元素的富集。确定了每个结合区的最大非xonic PhastCons守恒分数。为了进行比较，使用具有相同大小分布的随机基因组区域集确定相同参数。该图显示了具有该分数的绑定区域数量与具有该分数随机基因组区域数量的比率。
图6
图6。胚胎干细胞分化过程中PRC2靶基因的优先激活
（A） ES细胞分化过程中诱导或抑制的基因数量的倍数富集。基因表达的变化以分化H1细胞与多能H1细胞中信号的对数（2）转化率表示，并分为六组。每个箱子的上限显示在x个轴。这两个品系显示ES细胞中的基因转录不活跃（无RNA聚合酶II）并与SUZ12结合（绿色），ES细胞中基因转录不活动并被其他方式抑制（蓝色）。在这两种情况下，根据基因总数计算折叠富集度，并针对每个组中存在的基因数量进行标准化。（B） ES细胞分化过程中发育调节因子编码基因的表达变化。表达率（分化/多能性）用颜色表示，根据上面显示的尺度，红色表示上调，绿色表示下调。基因根据基因表达的变化排序，左侧多能干细胞中的基因表达较高，右侧分化细胞中的表达较高。未分化ES细胞中SUZ12结合的基因在下面板中用蓝线表示。（C） SUZ12缺陷小鼠细胞中诱导或抑制的基因数量增加。基因表达的变化表示为Suz12-缺陷细胞与野生型ES细胞中信号的对数（2）转换比率。这两个品系显示人类ES细胞中的基因转录不活跃（无RNA聚合酶II）并与SUZ12结合（绿色），人类ES细胞的基因转录无活性并被其他方式抑制（蓝色）。在这两种情况下，折叠富集度都是根据基因总数量计算的。（D） 分化的人类H1 ES细胞中Suz12靶基因相对于多能干细胞H1 ES的基因表达率（对数基2）(x个轴）和在相对于野生型小鼠ES细胞的Suz12缺陷小鼠细胞中(年轴）。右上象限：人类ES细胞分化和Suz12-缺陷小鼠细胞中基因上调；右下：ES细胞分化过程中基因上调，Suz12-缺陷细胞中基因下调；左下：ES细胞分化和Suz12-缺陷细胞中基因下调；左上角：ES细胞分化过程中基因下调，Suz12-缺陷细胞中基因上调。（E） H9人类ES细胞（绿色）和初级人类骨骼肌肌管（灰色）中肌肉调节器MYOD1编码基因的SUZ12结合图谱。图中显示了基因组区域内所有探针的未处理富集比率（ChIP与整个基因组DNA）。基因在图中按比例排列（外显子用竖线表示）。转录的开始和方向用箭头表示。（F） H9人类ES细胞（绿色）和初级人类骨骼肌肌管（灰色）中LHX9编码基因的Suz12结合图谱。图中显示了基因组区域内所有探针的未处理富集比率（ChIP与整个基因组DNA）。基因在图中按比例排列（外显子用竖线表示）。转录的开始和方向用箭头表示。
图7
图7。SUZ12定位于ES细胞转录调控因子也结合的基因
（A） 人类ES细胞中OCT4、SOX2、NANOG、RNA聚合酶II和SUZ12调控的发育调控因子的转录调控网络模型。ES细胞转录因子与大约三分之一的PRC2-占用的发育转录因子基因结合。基于基因本体选择发育调控因子。监管机构由深蓝色圆圈表示；RNA聚合酶II以浅蓝色圆圈表示；SUZ12由绿色圆圈表示；发育调节因子的基因启动子由小的红色圆圈表示。（B） SUZ12在人类ES细胞中占据一组受抑制的发育调节因子，也与OCT4、SOX2和NANOG结合。测试先前被注释为OCT4、SOX2和NANOG结合的基因，并根据表达数据（Boyer等人，2005）鉴定为活性或抑制的基因，以确定它们是否被SUZ12或RNA聚合酶II结合。在之前确定的11个活性基因中，有10个在已知启动子处与RNA聚合酶II结合，而在之前确认的12个抑制基因中，11个与SUZ12结合。调控因子由深蓝色圆圈表示，RNA聚合酶II由浅蓝色圆圈代表，SUZ12由绿色圆圈代表。基因启动子由红色矩形表示。
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中的注释

  • 寻找染色质进行干细胞鉴定。
    Buszczak M，喷洒AC。 Buszczak M等人。 单元格。2006年4月21日；125(2):233-6. doi:10.1016/j.cell.2006.04.004。 单元格。2006 PMID：16630812 审查。

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