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.2018年11月7日；19(1):189.
doi:10.1186/s13059-018-1557-3。

层粘连蛋白A/C调节造血干细胞老化时的表观遗传和染色质结构变化

安妮·格里戈里安 1, 吉迪诺维拉 1, 凯萨琳娜·森格 1, 托马斯·利尔 2, 卡林·索勒 1, 吉娜·马卡 1, 安吉丽卡·沃尔默 1, 约兰达·马卡基 三, 海因里希·莱昂哈特 三, 克里斯蒂安·布斯克 4, 丹尼尔·利普卡 5 6, 克里斯托夫·普拉斯 6, 一正 7, 梅德妮·A·穆洛 4, 哈特穆特·盖革 1 7, 玛丽亚·卡罗琳娜·弗洛里安 8 9
附属公司

层粘连蛋白A/C调节造血干细胞老化时的表观遗传和染色质结构变化

阿尼·格里戈里安等。 基因组生物学. .

摘要

背景：衰老后造血干细胞（HSC）功能的下降有助于衰老相关的免疫重塑和白血病的发病机制。衰老的HSC表现出表观基因组的改变，例如DNA甲基化、组蛋白甲基化和乙酰化景观的改变。我们之前发现，H4K16ac的特异性分布表明，老年HSC中Cdc42的高活性与核内表观遗传极性或外极性的丧失有关。

结果：在这里，我们表明并非所有组蛋白修饰都显示出极性定位，H4K16ac数量的减少和外极性的丧失是老年HSC特有的。增加H4K16ac水平不足以恢复老化HSC的极性和HSC功能的恢复。HSC老化和复壮后H4K16ac的变化与11号染色体结构的改变以及核体积和形状的改变有关。令人惊讶的是，通过利用敲除小鼠模型，我们证明Cdc42活性水平的增加与核膜蛋白LaminA/C的阻遏相关，后者控制11号染色体的分布、H4K16ac极性以及老年HSC的核体积和形状。

结论：总的来说，我们的数据表明，通过降低Cdc42活性水平，衰老干细胞染色质结构的改变是可逆的，这揭示了一种意料之外的方法，可以通过药物靶向LaminA/C表达并逆转衰老HSC表观遗传结构的改变。

关键词：老化；染色质结构；11号染色体；造血干细胞；拉明A/C。

PubMed免责声明

利益冲突声明

道德审批

所有小鼠都被安置在乌尔姆大学或CCHMC的动物屏障设施中，处于无致病条件下。所有小鼠实验均按照德国实验动物福利法进行，并分别获得乌尔姆大学机构审查委员会、Regierungsparesidium Tuebingen（巴登-符腾堡州政府）或CCHMC IACUC的批准。

出版同意书

不适用。

竞争性利益

作者声明，他们没有相互竞争的利益。

出版商备注

Springer Nature在公布的地图和机构关联中的管辖权主张方面保持中立。

数字

图1
图1
老化后H4K16ac空间分布的变化与HSC功能的变化有关。一HSC老化。之前主要发现的卡通方案[16]。bHSC（Lin-c-kit+Sca-1+Flk2-CD34-）、ST-HSCs（Lin-ckit+Sca-1+Flk2-CD34+）、LMPP（Lin-cKit+Sca-1+Flk2+CD34+。c（c）极性分布为H4K16ac、H4K8ac、H4K5ac、H2K27ac、H1K4me1和H3K4me3的年轻和老年HSC的百分比；n个 = 3-4个生物重复序列~ 每个样本总共150–200个单个HSC得分*第页 < 0.001.d日同型对照染色样品的代表性FACS直方图。LT-HSC和ST-HSC的闸门。H3K5ac的代表性FACS直方图(e（电子）)，H3K4me3(如果)和H4K16ac(克)年轻和老年样本。所示为LT-HSC和ST-HSC门。H3K5ac的中位荧光强度(小时)，H3K4me3(我)和H4K16ac(j个)绘制为年轻和老年HSC、ST-HSC和LMPP中年轻对照的百分比。所示为平均值+ 1个SE；n个 = 4–7个生物重复*第页 < 0.05.k个H4K16ac、H4K8ac和H4K5ac的中位荧光强度绘制为年轻、老年、老年CASIN处理（5μM，16小时）和老年NaB处理（5 mM，16小时）HSC中年轻对照的百分比。所示为平均值+ 1 东南方；n个 = 4个生物重复*第页 < 0.05.我H4K16ac在年轻、老年、老年CASIN处理（5μM，16 h）和老年NaB处理（5 mM，16小时）HSC中的代表性分布。棒材=2μm。面板显示DAPI（细胞核，蓝色）、H4K16ac（红色）。米H4K16ac极性分布的年轻、老年、老年CASIN处理（5μM，16 h）和老年NaB处理（5 mM，16小时）HSC的百分比；n个 = 3-4个生物重复~ 每个样本总共150–200个单个HSC得分*第页 < 0.05.n个HSC移植实验装置示意图。B220的百分比+(o（o）)，骨髓细胞（Gr1+，Mac1+和Gr1+Mac1电脑+)(第页)和CD3+(q个)Ly5.2中的细胞+受体Ly5.1外周血（PB）中的供体衍生细胞+小鼠*第页 < 0.05, **第页 < 0.01;n个 = 12–19.第页供体或衍生Ly5.2中HSC的百分比+接受者Ly5.1 BM中的LSK+小鼠*第页 < 0.05, **第页 < 0.01;n个 = 12–19.秒H4K16ac在供者衍生Ly5.2中的代表性分布+用年轻、老年、老年CASIN处理（5μM，16 h）和老年NaB处理（5 mM，16小时）的HSC移植24周后，从小鼠中分离出HSC。棒材=2μm。面板显示DAPI（细胞核，蓝色）、H4K16ac（红色）。t吨H4K16ac极化供体或衍生Ly5.2的百分比+移植24周后，用年轻、老年、老年+CASIN 5μM和老年+NaB 5 mM HSC从小鼠中分离出HSC；n个 = 3个生物重复~ 每个样本总共100–150个单个HSC得分*第页 < 0.05, **第页 < 0.01
图2
图2
H4K16ac外极性的变化与11号染色体同源分布的变化有关。一实验装置的示意图。热图和剖面图显示输入校正H4K16ac信号± 来自TSS的1.5 kb(b)和H4K16ac峰值± 1.0 kb(c（c）). TSS和峰区根据年轻HSC的信号强度排序。的摘要配置文件n个 = 3个生物重复。每个样本由50000个分类的HSC汇集而成，这些HSC在HBSS中孵育16小时+ 10%FBS+P/S±CASIN 5μM，3%O2.d日饼图显示年轻、老年HSC和老年+CASIN 5μM HSC中总34019个H4K16ac峰值的基因组注释。ChIP-seq数据可从GEO Series登录号GSE120232获得。e（电子）Venn图显示了年轻和老年HSC（1358个峰）、老年+CASIN 5μM和老年HSC（1135个峰）之间差异结合的H4K16ac峰的交叉分析结果。211个差异结合峰重叠，其中118个显示相同的变化方向。如果年轻HSC与CASIN HSC之间的211差异结合H4K16ac峰重叠的基因集富集分析（GSEA），与年轻与老年HSC以及CASIN与老年RNA-seq数据集中的老年HSC相比。RNA-seq数据可从GEO Series登录号GSE119466获得。克–小时UCSC浏览器轨迹显示H4K16ac信号Cbx4型基因座和实时PCR转录水平Cbx4型在年轻人、老年人和老年人+CASIN 5μM HSC中：n个 = 3个生物重复*第页 < 0.0001
图3
图3
H4K16ac外极性的变化与11号染色体同源物分布的变化有关。一对面板M中所述的118个峰的观察峰值计数和相对于染色体大小的预期峰值计数进行比较。采用拟合优度检验，结果表明这些118个差异结合的H4K16ac峰不是随机分布的，11号染色体的富集分数最高。b年轻和老年HSC细胞核（DAPI染色，蓝色）和染色体3（红色）、7（绿色）和16（绿色）的典型共焦3D重建（FISH染色，全彩色探针染色）。棒材=2μm。c（c）染色体3之间距离的测量(n个 = 3个生物重复，幼年28个细胞，老年21个细胞），7(n个 = 3个生物重复，幼年25个细胞，老年26个细胞），16个(n个 = Volocity 3D图像分析软件分析年轻和老年HSC中的3个生物重复，年轻细胞30个，老年细胞18个）同源物。d日染色体3、7和16具有同源同源性的年轻和老年HSC的百分比，n个 = 3个生物重复。e（电子）年轻、老年和老年人+CASIN 5μM HSC细胞核（DAPI染色，蓝色）和染色体11（红色，FISH染色，全彩色探针染色）的典型共焦3D重建。棒材=2μm。如果通过Volocity 3D图像分析对11号染色体同源物（红色和绿色）进行三维重建，并测量它们之间的距离。在年轻的HSC中，两个同源物的绿色表示它们分布得非常接近，并且软件无法将它们识别为两个对象。而在老化和老化+CASIN 5μM HSC中，它们被标记为绿色和红色的两个对象。Bar=2μM。克通过Volocity 3D图像分析测量11号染色体同源物之间的距离。所示为平均值+ 1 SE*第页 < 0.01;n个 = 生物重复序列共6个，幼年64个细胞，老年58个细胞，老龄55个细胞+CASIN。小时年轻人、老年人和老年人+CASIN 5μM HSC与染色体11同源的百分比**第页 < 0.01之间。我DNA-FISH+IF.H4K16ac（绿色），11号染色体（红色）后，年轻人、老年人和老年人+CASIN 5μM HSC的典型共焦3D重建，细胞核用DAPI染色（蓝色）。棒材=2μm。j个Volocity三维图像分析法测量H4K16ac与11、16号染色体共定位区的体积*第页 < 0.05,n个 = 3个生物重复，11号染色体共有33个年轻细胞，33个老年细胞，28个老年细胞+CASIN，年轻细胞32个，老年细胞26个，19个老年细胞+CASIN，16号染色体共
图4
图4
HSC老化后，细胞核体积和形状发生改变。一年轻人、老年人和老年人+CASIN 5μM HSC细胞核的典型共焦3D重建（DAPI染色，蓝色）。箭头表示年轻和老年人+CASIN HSC中正常观察到的核内陷。棒材=2μm。b通过三维结构光照（SIM）分析（基于DAPI染色）测量核体积***第页 < 0.001;n个 = 共有3个生物重复，幼年47个细胞，老年44个细胞，老龄70个细胞+CASIN 5μM。c（c）通过Volocity 3D图像分析测量核形状因子（NSF）。国家科学基金会对物体的三维形状进行评分：1对应于一个完美的球体*第页 < 0.05, ***第页 < 0.001;n个 = 共有6个生物重复，幼年62个细胞，老年64个细胞，老龄61个细胞+CASIN 5μM。d日总结Cdc42 GAP基因敲除（Cdc42GAP）的早衰样表型的卡通方案−/−)老鼠。e（电子）Cdc42GAP核的典型共焦三维重建（DAPI染色，蓝色）+/+和Cdc42GAP−/−HSC。箭头表示在Cdc42GAP中观察到的核内陷+/+HSC。棒材=2μm。如果Volocity 3D图像分析法测量核体积（基于DAPI染色）****第页 < 0.0001;n个 = 4个生物重复序列，119个细胞用于Cdc42GAP+/+和102个单元格用于Cdc42GAP−/−总共只老鼠。克通过Volocity 3D图像分析测量核形状因子（NSF）。国家科学基金会对物体的三维形状进行评分：1对应于一个完美的球体**第页 < 0.01,n个 = 4个生物重复，118个细胞用于Cdc42GAP+/+和101个单元格用于Cdc42GAP−/−总共只老鼠。小时Cdc42GAP细胞核（DAPI染色，蓝色）和层粘连A/C（绿色）的代表性共焦3D重建+/+和Cdc42GAP−/−HSC。棒材=2μm。我通过Volocity 3D图像分析（基于LaminA/C染色）测量层压板A/C体积**第页 < 0.01;n个 = 3个生物重复，50个细胞用于Cdc42GAP+/+，和50个用于Cdc42GAP的单元格−/−小鼠总数
图5
图5
造血系统中的层粘连蛋白A/C表达对HSC是特异性的，并且在衰老时会降低。一年轻、老年和老年人+CASIN 5μM HSC细胞核（DAPI染色，蓝色）和层压板B（绿色）的典型共焦3D重建。棒材=2μm。b年轻、老年、老年+CASIN 5μM HSC和年轻ST-HSC细胞核（DAPI染色，蓝色）和层蛋白A/C（绿色）的典型共焦3D重建。棒材=2μm。c（c） Lmna公司年轻、老年、老年人+CASIN 5μM HSC和年轻ST-HSC的转录水平。所示为平均值+ 1 东南方；n个 = 3个生物重复****第页 < 0.0001.d日LaminA/C（绿色）在年轻HSC中的代表性分布。棒材=2μm。箭头表示年轻HSC细胞核深内陷中的层蛋白A/C分布。e（电子）细胞核内陷的年轻HSC的百分比，n个 = 4个生物重复，共45个单个HSC。如果在HSC核内陷部位具有层粘连A/C分布的年轻HSC在外陷HSC中的百分比，n个 = 4个生物重复，共45个单个HSC。克青年、老年和老年CASIN治疗的LT-HSC中H3K9me2分布的典型共焦3D重建。棒材=2μm。小时出现H3K9me2外周异染色质定位的年轻、老年和老年人+CASIN 5μM HSC的百分比，n个 = 3个生物重复~ 150个年轻人和老年人的单个HSC，20个老年人单个HSC+CASIN 5μM*第页 < 0.05.我B220的典型FACS点图+，CD3+和髓细胞（Gr1+，Mac1+和Gr1+Mac1电脑+)对照Lmna中的细胞飞行/飞行和LmnaΔ/Δ/Vav-Cre铅。j个B220的百分比+，CD3+和髓细胞（Gr1+，Mac1+和Gr1+Mac1电脑+)对照Lmna PB中的细胞飞行/飞行和LmnaΔ/Δ/Vav-Cre小鼠*第页 < 0.05,n个 = 4-6只小鼠。k个对照组Lmna的血液学分析飞行/飞行和LmnaΔ/Δ/Vav-Cre老鼠*第页 < 0.05, **第页 < 0.01;n个 = 5-6只小鼠
图6
图6
HSC中LaminA/C表达的减少决定了核体积和形状、H4K16ac极性和11号染色体同源性的变化。一Lmna细胞核的代表性共焦3D重建（DAPI染色，蓝色）飞行/飞行和LmnaΔ/Δ/Vav-CreHSC。棒材=2μm。bVolocity 3D图像分析法测量核体积（基于DAPI染色）**第页 < 0.01;n个 = 8个生物重复序列；Lmna的100个单一HSC飞行/飞行，为Lmna提供115个HSCΔ/Δ/Vav-Cre总计。c（c）核形状因子（NSF）测量*第页 < 0.05;n个 = 4个生物重复；Lmna的99个HSC飞行/飞行Lmna的100个HSCΔ/Δ/Vav-Cre总计。d日H4K16ac在Lmna的代表性分布飞行/飞行、LmnaΔ/Δ/Vav-Cre、LmnaΔ/Δ/Vav-Cre + CASIN 5μM，老化和老化+CASIN 5µM HSC。棒材=2μm。面板显示DAPI（细胞核，蓝色）、H4K16ac（红色）。e（电子）Lmna百分比飞行/飞行，LmnaΔ/Δ/Vav-Cre、LmnaΔ/Δ/Vav-Cre + CASIN 5μM，老化和老化+CASIN 5µM HSC，H4K16ac极性分布。所示为平均值+ 1 东南方；n个 = 3-5个生物重复~ 每个样本总共30-100个单个HSC得分*第页 < 0.05, ***第页 < 0.001.如果Lmna中同型对照染色样品和H4K16ac的代表性FACS直方图飞行/飞行和LmnaΔ/Δ7Vav-Cre样品。HSC闸门如图所示。克对照Lmna HSC中H4K16ac的中位荧光强度飞行/飞行和LmnaΔ/Δ/Vav-Cre老鼠；n个 = 3个生物重复。小时Lmna中11号染色体同源序列间距离的测量飞行/飞行和LmnaΔ/ΔVav-Cre基于Volocity三维图像分析的HSC**第页 < 0.01;n个 = 3个生物重复，27个Lmna细胞飞行/飞行，Lmna为30个细胞Δ/Δ/Vav-Cre总计。我Lmna百分比飞行/飞行和LmnaΔ/Δ/Vav-Cre与11号染色体同源的HSC；n个 = 3个生物重复*第页 < 0.05.j个Lmna细胞核（DAPI染色，蓝色）和11号染色体（红色，FISH全染色探针染色）的典型共焦3D重建飞行/飞行和LmnaΔ/Δ/Vav-CreHSC。棒材=2μm。k个通过Volocity 3D图像分析对11号染色体同源物（红色和绿色）进行三维重建，并测量它们之间的距离。在Lmna飞行/飞行HSC绿色，两个同源物的颜色显示它们分布得非常接近，软件无法将其识别为两个对象。在Lmna期间Δ/Δ/Vav-CreHSC，它们被标记为绿色和红色的两个对象。条形=2μm。我LaminA/C条件敲除小鼠造血系统中早衰样表型的总结。米HSC隔间老化。结合新的主要发现的卡通计划。新识别的HSC老化表型以红色突出显示
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