Mielinizacja obwodowego układu nerwowego jest wymagana dla funkcji aksonów i długoterminowej stabilności. długoterminowej stabilności. Po uszkodzeniu nerwów obwodowych komórki Schwanna przechodzą z mielinizacji aksonów do stanu demielinizacji, który wspiera przeżycie neuronów i ostatecznie ponowną mielinizację aksonów. Przeprogramowanie wzorców ekspresji genów podczas rozwoju i odpowiedzi na urazy jest kształtowane przez działania dystalnych elementów regulacyjnych elementów regulacyjnych, które integrują działanie wielu czynników transkrypcyjnych czynników transkrypcyjnych. Wykorzystaliśmy ChIP-seq do pomiaru zmian w acetylacji histonu H3K27, znaku aktywnych wzmacniaczy, aby zidentyfikować wzmacniacze w mielinizującym nerwie obwodowym szczura i ich dynamiki po uszkodzeniu nerwu demielinizacyjnego. Analiza zidentyfikowano wzbogacone motywy dla c-Jun, czynnika transkrypcyjnego niezbędnego dla komórek Schwanna. czynnika transkrypcyjnego wymaganego przez komórki Schwanna do wspomagania regeneracji nerwów. Zidentyfikowaliśmy c-Jun w genie dla Runx2, czynnika transkrypcyjnego indukowanego po uszkodzeniu nerwu i pokazujemy, że i pokazujemy, że Runx2 jest wymagany do aktywacji innych indukowanych genów. indukowanych genów. W przeciwieństwie do tego, enhancery, które tracą H3K27ac po uszkodzeniu nerwów, są wzbogacone dla miejsc wiązania Sox10 i wczesnej odpowiedzi na wzrost 2 (Egr2/Krox20) czynników transkrypcyjnych, które są krytycznymi determinantami różnicowania komórek Schwanna różnicowania komórek Schwanna. Ekspresja Egr2 jest tracona po uszkodzeniu nerwu, a wiele miejsc wiążących miejsc wiążących Egr2 traci H3K27ac po uszkodzeniu nerwu. Jednak większość enhancerów związanych z Egr2 zachowuje H3K27ac, co wskazuje, że inne czynniki transkrypcyjne utrzymują aktywny status wzmacniacza po uszkodzeniu nerwu. Globalne zmiany epigenomiczne zmiany w odkładaniu H3K27ac wskazują na dynamiczne zmiany w enhancerach, które pośredniczą w czynniki transkrypcyjne, które kontrolują mielinizację komórek Schwanna i odpowiedzi obwodowego układu nerwowego na uszkodzenie nerwów. odpowiedzi obwodowego układu nerwowego na uszkodzenie nerwów. --- Programy rozwojowe są kontrolowane przez czynniki transkrypcyjne i regulatory chromatyny. które utrzymują określone programy ekspresji genów poprzez epigenetyczną modyfikację genomu. modyfikację genomu. Te zdarzenia regulacyjne we wzmacniaczach przyczyniają się do specyficznych programów ekspresji genów, które określają stan komórki i potencjał potencjał do różnicowania się w nowe typy komórek. Chociaż elementy wzmacniające są związane z pewnymi modyfikacjami histonów i czynnikami transkrypcyjnymi czynnikami transkrypcyjnymi, związek tych modyfikacji z ekspresją genów i a stanem rozwojowym nie został jasno określony. Tutaj badamy epigenetyczny krajobraz elementów wzmacniających w embrionalnych komórkach macierzystych i kilku dorosłych tkankach myszy. dorosłych tkankach myszy. Odkryliśmy, że histon H3K27ac odróżnia aktywne enhancery od nieaktywnych/wyciszonych elementów enhancerów zawierających tylko H3K4me1. To wskazuje, że ilość aktywnie wykorzystywanych enhancerów jest niższa niż wcześniej przewidywano. niż wcześniej przewidywano. Co więcej, sieci enhancerów dostarczają wskazówek na temat niezrealizowanych programów rozwojowych. programów rozwojowych. Wreszcie, pokazujemy, że enhancery są resetowane podczas jądrowego przeprogramowania. --- Epigenetyczna regulacja elementów wzmacniających geny jest ważna dla ustalenia i utrzymania tożsamości komórek. Uważa się, że elementy wzmacniające geny istnieją w stanie aktywnym lub zatrzymanym, które można rozróżnić na podstawie cech chromatyny, ale brakuje pełnego zrozumienia regulacji enhancerów. Tutaj, poprzez wykorzystując mysie embrionalne komórki macierzyste i ich zróżnicowane pochodne, a także a także komórek terminalnie zróżnicowanych, donosimy o współistnieniu wielu, zdefiniowanych klas enhancerów, które pełnią różne funkcje komórkowe. W szczególności odkryliśmy, że aktywne enhancery można podklasyfikować na podstawie różne poziomy H3K4me1, H3K27ac i H3K36me3 oraz formy pSer2/5 polimerazy RNA polimerazy RNA II. Obfitość tych modyfikacji histonów pozytywnie koreluje z ekspresją powiązanych genów i funkcji komórkowych zgodnymi z tożsamością typu komórki. Poised enhancery mogą być również na podstawie obecności lub braku H3K27me3 i H3K9me3, konserwację, lokalizację genomową, poziomy ekspresji powiązanych genów i przewidywanej funkcji powiązanych genów. Odkrycia te nie tylko udoskonalają repertuar modyfikacji histonów zarówno w aktywnych, jak i stabilnych elementach wzmacniających geny ale także podnoszą prawdopodobieństwo, że enhancery związane z różnymi funkcjami komórkowymi funkcje komórkowe są podzielone na podstawie określonych kombinacji modyfikacji histonów modyfikacji histonów. --- Regiony chromatyny o różnych stanach zwykle zawierają różne informacje epigenetyczne. informacje, poprzez które regulowana jest ekspresja genów. Ostatnie badania z wykorzystaniem na komórkach ssaków wykazały, że sygnatura stanu chromatyny jest związana z aktywnymi wzmacniaczami rozwojowymi, definiowanymi przez wysoki poziom acetylacji lizyny 27 histonu H3 (H3K3). (H3K27ac) i silnym zubożeniem trimetylacji H3K27 (H3K27me3). Odkrycia te sugerują również, że aktywne wzmacniacze mogą odgrywać rolę w tworzeniu stanu chromatyny poprzez zmianę modyfikacji histonów. chromatyny poprzez zmianę markerów modyfikacji histonów, co z kolei wpływa na ekspresję genów. ekspresję genów. Aby zbadać, czy aktywny wzmacniacz u roślin wpływa na modyfikacje histonów modyfikacje histonów, zbadaliśmy enhancer 35S wirusa mozaiki kalafiora (35Senh) w celu zrozumienia jego modelu działania w Arabidopsis. Donosimy, że 35Senh ma funkcję zmiany wzoru modyfikacji histonów w jego prezentując loci, poprzez charakterystykę aktywowanych 35Senh BREVIPEDICELLUS (BP) oraz losowo wybranych linii aktywowanych 35Senh. Analizując markery modyfikacji histonów odzwierciedlające stan chromatyny roślinnej, pokazujemy, że 35Senh jest ogólnie skorelowany z obniżonym poziomem H3K27me3 i podwyższonym poziomem H3K4me3 w loci insercyjnym. Nasze dane są zgodne z tymi u ssaków i sugerują, że sekwencja wzmacniacza korelująca z sygnaturą stanu aktywnej chromatyny może być ogólnie obecna w królestwie eukariotycznym. --- Enhancery odgrywają kluczową rolę w regulacji transkrypcji genów dystalnych. Chociaż niektóre cechy chromatyny, takie jak acetylotransferaza histonowa P300 i modyfikacja histonu H3K4me1, wskazują na obecność enhancerów, to tylko są funkcjonalnie aktywne. Poszczególne znaczniki chromatynowe, takie jak jak H3K27ac i H3K27me3, zostały zidentyfikowane w celu odróżnienia aktywnych od nieaktywnych enhancerów. nieaktywnych enhancerów. Jednak systematyczna identyfikacja najbardziej najbardziej informatywnej pojedynczej modyfikacji lub jej kombinacji. Co więcej, odkrycie enhancerowych RNA (eRNA) zapewnia alternatywne podejście do bezpośredniego przewidywania podejście do bezpośredniego przewidywania aktywności wzmacniacza. Pozostaje jednak wyzwaniem pozostaje powiązanie modyfikacji chromatyny z transkrypcją eRNA. W tym miejscu model regresji logistycznej, aby odkryć związek między modyfikacjami chromatyny a transkrypcją eRNA. modyfikacjami chromatyny a syntezą eRNA. Przeprowadzamy systematyczną ocenę 24 modyfikacji chromatyny w płodowych fibroblastach płuc i wykazujemy, że kombinacja kombinacja czterech modyfikacji jest wystarczająca do dokładnego przewidywania transkrypcji eRNA transkrypcji eRNA. Ponadto porównujemy zdolność eRNA i H3K27ac do dyskryminacji aktywności wzmacniacza. Wykazujemy, że eRNA jest bardziej wskazujące na aktywność aktywność wzmacniacza. Wreszcie, stosujemy nasz wytrenowany model fibroblastów do sześciu innych typów komórek i z powodzeniem przewidujemy syntezę eRNA. W ten sposób wykazujemy, że że wyuczone zależności są ogólne i niezależne od typu komórek. Dostarczyliśmy potężne narzędzie do identyfikacji aktywnych wzmacniaczy i ujawnienia związku między modyfikacjami chromatyny, produkcją eRNA i aktywnością enhancerów. --- Hipoteza dwuwartościowa zakłada, że geny kodujące regulatory rozwoju wymagane do wczesnych decyzji dotyczących linii rozwojowej są kontrolowane w komórkach macierzystych/progenitorowych przez między represorową modyfikacją histonu (H3K27me3), w której pośredniczy kompleks represorowy Polycomb Repressor Complex 2 (PRC2), a modyfikacją aktywatora (H3K4me3). W W tym badaniu sprawdzamy, czy mechanizm ten ma zastosowanie również do genów, które nie są wymagane aż do końcowego różnicowania. Skupiamy się na czynniku transkrypcyjnym wyciszania RE1 Czynnik transkrypcyjny (REST), ponieważ ulega wysokiej ekspresji w komórkach macierzystych i jest jest uznanym globalnym represorem terminalnych genów neuronalnych. Wyjaśnienie kompleksu kompleksu REST oraz porównanie śladów chromatyny i poziomów ekspresji genów w komórkach macierzystych kontrolnych i komórkach macierzystych z niedoborem REST, pokazuje, że geny docelowe REST są regulowane przez mechanizm niezależny od Polycomb, nawet w promotorach, które noszą znak H3K27me3. W szczególności, geny pod kontrolą REST są aktywnie represjonowane w komórkach macierzystych przez równowagę komórkach macierzystych przez równowagę znaku H3K4me3 i kompleksu represorowego, który opiera się na na aktywności deacetylazy histonowej. W ten sposób chromatyna rozróżnia geny pro-neuronalne i terminalnymi genami neuronalnymi są ustalane na etapie embrionalnych komórek macierzystych przez dwa równoległe, ale odrębne szlaki represorowe. --- Regiony wiązane przez specyficzne dla sekwencji czynniki transkrypcyjne mogą być wysoce zmienne w różnych typach komórek, pomimo statycznego charakteru sekwencji genomu. sekwencji genomu. Zostało to częściowo przypisane zmianom w dostępności chromatyny. dostępności chromatyny, ale systematyczny obraz został utrudniony przez brak zestawów danych na dużą skalę. Tutaj wykorzystujemy 456 eksperymentów wiązania dla 119 regulatorów i 84 map chromatyny wygenerowanych przez ENCODE w sześciu typach ludzkich komórek i i odnosimy je do globalnej mapy instancji motywów regulacyjnych dla tych czynników. My znajdujemy specyficzne i solidne preferencje stanu chromatyny dla każdego regulatora poza wcześniej zgłaszane asocjacje otwartej chromatyny, co sugeruje znacznie bogatszy krajobraz chromatyny poza prostą dostępnością. Preferencyjnie związane stany chromatyny regulatorów zostały wzbogacone o motywy sekwencji regulatorów w stosunku do wszystkich stanów, co sugeruje, że preferencje te są przynajmniej częściowo zakodowane przez sekwencję genomową. W stosunku do wszystkich regionów związanych przez regulator, jednak motywy regulacyjne były zaskakująco zubożone w stanach regulatora preferencyjnie związanych stanach regulatora, co sugeruje dodatkowe wiązanie niespecyficzne dla sekwencji poza poziomem przewidywanym przez motywy regulatorowe. Takie permisywne wiązanie było w dużej mierze ograniczone do regionów otwartej chromatyny wykazujących znaki modyfikacji histonów charakterystyczne dla aktywnych regionów wzmacniających i promotorowych, podczas gdy regiony otwartej chromatyny regiony pozbawione takich znaczników nie wykazywały wiązania permisywnego. Wreszcie, zdecydowana większość wiązania par regulatorów jest przewidywana przez stan chromatyny preferencje poszczególnych regulatorów. Ogólnie rzecz biorąc, nasze wyniki sugerują wspólną rolę motywów sekwencyjnych i specyficznych stanów chromatyny poza zwykłą dostępnością w pośredniczeniu w dynamice wiązania regulatorów w różnych typach komórek.
Która modyfikacja histonów rozróżnia aktywne i nieaktywne enhancery?
Monometylacja histonu H3 na Lys 4 (H3K4me1) i acetylacja histonu H3 na Lys 27 (H3K27ac) to modyfikacje histonów, które są wysoce wzbogacone w korpusie aktywnie transkrybowanych genów i na enhancerach.