做一个网站的预算,企业做网站设计的,苏州的网站建设公司,赣州英文网站建设代谢是生化反应网络的结果#xff0c;这些反应吸收营养物质并对其进行处理#xff0c;以满足细胞的需求#xff0c;包括能量产生和生物合成。反应的中间体被用作各种表观基因组修饰酶的底物和辅助因子#xff0c;因此代谢与表观遗传密切相关。代谢结合表观遗传涉及疾病这些反应吸收营养物质并对其进行处理以满足细胞的需求包括能量产生和生物合成。反应的中间体被用作各种表观基因组修饰酶的底物和辅助因子因此代谢与表观遗传密切相关。代谢结合表观遗传涉及疾病癌症和发育等多方面。今天我们来看看在胚胎干细胞中E26 转化特异性ETSTFs家族的Spic如何影响代谢与组蛋白修饰。 发表单位贝尔法斯特女王大学 期 刊 Science advancesIF:13.6 发表日期2023年8月18日 研究技术RNA-seqscRNA-seq ChIP-seqATAC-seq爱基百客均可提供
2023年贝尔法斯特女王大学的Yaser Atlasi教授研究团队在期刊Science advancesIF:13.6发表了题为“Spic regulates one-carbon metabolism and histone methylation in ground-state pluripotency”的研究论文。该研究结果表明Spic控制单碳代谢和S-腺苷蛋氨酸到S-腺苷-L-高半胱氨酸SAM-to-SAH的流动从而调节着胚胎干细胞ESCs中H3R17me2和H3K4me3组蛋白标记的水平。该研究通过Spic的功能将细胞代谢与ESCs中的表观遗传调控联系起来。 研 究 背 景
早期胚胎发育过程中细胞经历一系列多能状态其中一些在体外特定培养条件下被捕获为胚胎干细胞ESCs不同的外界因子刺激分化为不同的类型。而了解ESCs的表观遗传调控机制对干细胞和发育生物学至关重要。作者对ESCs 不同状态之间的时间转录和表观遗传变化进行检测指出 Spic 是 2iL-ESC 中最早的诱导基因之一是E26 转化特异性ETS TFs家族一员。其在免疫背景下已有相关研究但Spic在胚胎干细胞和早期胚胎发育中的作用仍然未知。 研 究 思 路 研 究 结 果
1. Spic表达标志着基态多能性
作者对维持在不同多能状态下的mESCs转录谱进行分析。结果显示Spic在2iL-ESCs中高表达SL-ESCs中迅速下调EPI-ESCs中完全抑制图1.A。SL-ESCs和2iL-ESCs的单细胞RNA-seq数据进一步证实Spic在SL-ESCs中不表达图1.B。小鼠着床前胚胎RNA-seq数据显示Spic在四细胞、八细胞和ICM胚胎阶段高表达在着床后的外胚层细胞中急剧下调图1.C。
由于2iL培养基具有两种激酶抑制剂CHIR99021、PD0325901。作者接下来在单一抑制剂培养基中进行ESCs培养实验表明Spic主要由PD0325901处理诱导这表明Spic受MEK/细胞外信号调节激酶ERK信号的负调控图1.D。已发表ChIP-seq数据也证实2iL 和 PD0325901 处理ESCsERK 与Spic 启动子结合减少。此外在2iL-ESCs中Spic位点被多能性相关的TFs占据包括OCT4、SOX2、NANOG、ESRRB、KLF4和NR5A2 图1.E。
作者下一步研究了2iLESCs 中SPIC在全基因组上的结合。构建表达SPIC-GFP BACs的ESCs作者对SL或SL-to-2iL转换3天2iLd3培养的ESC进行了GFP-ChIP-seq检测SPIC ChIP-seq 峰基序分析显示 ETS 基序高度富集证实ChIP-seq 数据的特异性图 1.F。基因GO富集分析表明SPIC结合位点位于多能性相关基因附近图1.GH。此外大多数SPIC峰位于基因间区~60%或内含子区38%;图1.I其特征是H3K4me1/2和H3K27ac增强子标记水平高H3K4me3水平低H3K9me3和H3K27me3抑制标记缺失图1.J。
综上所述SPIC是基态多能性的特定标记物它与ESC多能性相关的活性基因的远端调控元件结合。 图1. Spic是基态多能性的特殊标记物
2. SPIC稳定NANOG与单碳代谢相关基因的结合
为了研究Spic在基态多能性中的作用。作者使用CRISPR-Cas9和 SPIC-GFP BACs分别构建Spic 基因敲除和过表达的ESCs即Spic-KO和Spic-OE。每个基因型选择两个独立的 ESC 克隆进行下游分析图 2.A-C。在 SL 和 2iL下Spic-KO 和 Spic-OE ESCs都能保持正常的形态、增殖率和关键多能性标记物的表达这表明 Spic 对 ESC 的维持并非不可或缺图 2.D但Spic减弱了从基态多能性的早期退出。N2B27 培养基的ESCs分化、多能性标记物qRT-PCR、AP染色实验和不同ESCs分化后AP-low 统计数据表明Spic-KO细胞分化能力加快图2.E-G。因此Spic支持2iL状态的细胞但不是维持基态多能性所必需的。 图2. SPIC支持2iL-ESCS但对ESC维持不是必需的
为了明确SPIC在2iL-ESCs中的作用。作者以WT ESCs为阴性对照SL或2iLd3中培养SPIC-GFP ESCs。通过LC-MS/MS分析蛋白相互作用结果表明2iL-ESCs中检测到几种SPIC相互作用物包括多能性TFs NANOG和ZFP609以及甲基化Chtop 5FMC蛋白复合体的几个成员PELP1、SENP3、NOL9和LAS1L1 图3.A。作者进一步通过反向IP表达FLAG-NANOG或FLAG-PELP1的构建SPIC-GFP的免疫印迹进一步证实Top候选基因的相互作用图3.B。
由于检测到NANOG在SPIC结合位点的高度共占位。作者下一步对SPIC 如何影响 NANOG 与染色质结合进行评估。首先在Spic-WT、Spic-OE和Spic-KO ESCs中表达FLAG-NANOG并通过FLAG ChIP-seq检测NANOG与染色质的结合情况图3.CD结果证实了共占位分析并且对 SPIC 缺失敏感的 NANOG 结合位点主要位于参与胆碱/单碳代谢的基因附近 Slc44a1、Bhmt 、 Ahcy。由于这些位点在SL-ESCs中NANOG结合不受影响因此SPIC对2iL-ESCs具有特异性作用图3.E。ATAC-seq数据表明Spic过表达或缺失分别导致 SPIC-NANOG 结合位点的染色质可及性增加和降低图 3.D , E。因此SPIC 可稳定 NANOG 与主要与胆碱/单碳代谢相关的特定调控元件的结合。 图3. SPIC与NANOG相互作用并稳定其染色质结合
3. SPIC调节单碳代谢
为了探索Spic在分子水平上的作用并捕捉Spic干扰的早期反应。作者对WT ESCs和2iL培养基中培养1天SL - 2iLD1的Spic- KO和Spic- OE ESCs进行RNA-seq和差异基因分析以及分析完全适应 2iL 的 WT ESCs 的表达谱在 2iL 中培养超过 21 天选择与 SL-ESCs 相比显示出一致差异表达的基因。最终结合以上选择在其启动子附近100 kb内显示Spic结合的基因图4.A。最终找到高度置信的5个基因 Bhmt、Bhmt2、Dmgdh、Grin1和Mex3b——其代表2iL-ESCs对Spic的早期和直接反应图4.B。
Spic的三个Top靶蛋白Bhmt、Bhmt2和Dmgdh在基因组中聚集在一起并且在相邻的增强子上共享多个SPIC结合位点且在单碳代谢中具有相关功能图4.CD。在大多数细胞中单碳代谢循环通过蛋氨酸合成酶MTR以及叶酸衍生物携带的甲基将同型半胱氨酸转化为蛋氨酸。而在肝脏和早期胚胎中同型半胱氨酸转化为蛋氨酸的过程也得到了以甜菜碱为甲基供体的BHMT/BHMT2和DMGDH顺序活性的支持[1]。此外作者观察到Bhmt、Bhmt2和Dmgdh与Spic类似其在2iL- ESCs中被高度诱导并在2iL-向SL-EPI转变过程中迅速下调图4.E-G。Bhmt、Bhmt2和Dmgdh在着床前胚胎中高表达在着床后外胚层中下调图4.H。 图4. SPIC调节单碳代谢基因
为了建立与Spic的直接联系。作者测量Spic-KO和Spic-OE ESCs中Bhmt、Bhmt2和Dmgdh的水平结果表明消耗Spic抑制Bhmt、Bhmt2和Dmgdh的表达而Spic-OE提高了2iL-ESCs中这些基因的水平图5.A,B。此外PD0325901或CHIR99021处理后检测细胞中Bhmt、Bhmt2和Dmgdh水平这些基因在MEK/ERK抑制的下游被高度诱导图5.C,D。值得注意的是甜菜碱在ESC培养中不补充但可以从胆碱中产生胆碱存在于2iL和SL培养基中。作者发现与研究结果一致胆碱转运蛋白Slc44a1在2iL-ESCs中上调这表明2iL-ESCs具有更高的胆碱摄取能力。综上所述这些发现表明Spic在2iL-ESCs中直接激活单碳代谢基因Bhmt、Bhmt2和Dmgdh。
单碳代谢循环通过控制SAM和S-腺苷-L-同型半胱氨酸SAH的水平在表观遗传调控中起着核心作用。作者使用MS测量SAM和SAH的细胞水平发现在2IL-ESCs中Spic的过度表达导致SAM到SAH的流动增加而Spic的耗尽导致SAM到SAH的转化降低图5.E。
SAM是DNA、组蛋白、RNA、脂肪和蛋白质甲基化甲基的通用供体。作者进一步探索Spic是否影响DNA甲基化水平。质谱法测定Spic-OE和Spic- KO ESCs中5mC和5hmC水平发现Spic对5mC和5hmC水平没有影响。而Western blot分析一组甲基组蛋白标记发现Spic特异性地降低2iL-ESCs中H3K4me3的水平并增加H3R17me2的水平 图5.F。因此PD0325901 MEK/ERK抑制降低H3K4me3的水平增加H3R17me2的水平进一步将Spic和单碳代谢基因与特定的表观遗传变化联系起来图5.G。
在长期2iL培养的ESCs中使用qRT-PCR和免疫印迹法检测Bhmt、Bhmt2和Dmgdh以及这些位点的SPIC结合状况图5.H。结果表明在稳态 2iL-ESCs 中与 Spic-KO ESCs 相比Spic-OE ESCs 的 SAM/SAH 水平降低H3R17me2a 水平升高H3K4me3 的水平无明显差异图 5.H。 图5. SPIC调节SAM/SAH水平和组蛋白甲基化
甜菜碱依赖途径和叶酸依赖途径之间的合作调节单碳代谢图 6.A。作者检测了SPIC对ESCs和叶酸途径的影响。使用叶酸途径抑制剂——氨甲喋呤MTX并评估Spic-KO、Spic-OE 和 WT ESCs 对 MTX 处理的反应。实验表明ESCs 补充 SAM 可以完全缓解 MTX 的有害影响图 6.B。消耗 Spic 会增强 ESCs 对 MTX 处理的敏感性图 6.C。同样SL-ESCs 表现出较低的甜菜碱依赖性单碳代谢图 6.B。这些发现表明Spic下游甜菜碱依赖的单碳代谢的激活增强了多能细胞对影响叶酸途径的环境扰动的稳健性。 图6. 靶向单碳代谢影响ESCs分化
此外使用BHMT抑制剂BHMTi;CBHcy或通过向ESCs补充外源性SAM。两种处理均表现Spic-KO ESCs: CBHcy抑制BHMT活性导致SAM- SAH通量降低而SAM补充直接增加SAM/SAH比率。用BHMTi或SAM处理后通过AP阳性克隆数量的减少和 naïve 多能标记的表达减少可以加速ESC的分化图6.D和E。BHMTi和SAM处理也降低了H3R17me2a的水平这一影响在SAM处理中更为明显图6.F。 图7. SPIC将细胞新陈代谢与基态多能性的表观遗传调控联系起来
综上所述在2IL-ESCs中SPIC在MEK/ERK抑制作用下被诱导在早期胚泡中表达上调。其稳定NANOG的结合增加参与胆碱和单碳代谢的基因的染色质可及性并通过激活甜菜碱依赖的单碳代谢增加SAM到SAH的流动维持低水平的SAM并控制基态ESCs中H3K4me3和H3R17me2的水平ERK/MEK信号在从基态向原态多能性的转变过程中抑制Spic和单碳的代谢图7。 研 究 结 果
早期胚胎发育过程中经历一系列多能状态其中一些在体外特定培养条件下被捕获为胚胎干细胞ESCs。ESCs在不同外界因子刺激下分化为不同类型。ESC的状态代表了多能性谱的快照而多能性的不同状态之间的转换与整体转录和表观遗传重新编程有关。该研究发现 Spic 在基态 ESC 中快速诱导并响应细胞外信号调节激酶 ERK的 抑制。SPIC 与增强子元件结合并稳定 NANOG 与染色质的结合特别是在涉及胆碱/单碳代谢的基因例如 Bhmt、Bhmt2 和 Dmgdh上。此外 Spic在单碳代谢中起关键作用降低SAM/SAH比率从而影响H3R17me2a水平在基态多能性中增加。 文章来源https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adg7997 引用文献
[1]. Ducker GS, Rabinowitz JD. One-Carbon Metabolism in Health and Disease. Cell Metab. 2017 Jan 10;251:27-42. doi: 10.1016/j.cmet.2016.08.009. Epub 2016 Sep 15. PMID: 27641100; PMCID: PMC5353360. # 关于我们 # 爱基百客专注于提供领先表观组学服务。公司先后引入ChIP、CUTTag、WGBS、ATAC-seq、全转录组、10x Genomics、DNBSEQ-T7等实验平台不断提升公司的科研服务能力。
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