IF 3.5 Gene│乳腺癌进展细胞周期中组蛋白基因座上人类组蛋白基因簇的时空高阶染色质结构前言： 2023年7月1日，美国佛蒙特大学癌症中心Prachi N. Ghule 教授团队在Science Direct上发表了题为“Spatiotemporal higher-=order chromatin landscape of human histone gene clusters at histone locus bodies during the cell cycle in breast cancer progression”的研究论文，结果发现与HINFP/NPAT复合物在G1期早期到晚期控制HLBs处组蛋白基因簇的高阶基因组组织的形成和动态重塑以支持组蛋白mRNA在S期的转录的模型一致。
背景介绍： 人类组蛋白基因簇(HLBs)是由成簇的组蛋白基因组成的核内亚结构域，在整个细胞周期中协同调控。研究人员在细胞增殖的HLBs上研究了时间依赖的染色质重塑的时间-空间高阶基因组组织。在MCF10乳腺癌模型细胞系中，组蛋白基因簇内特定基因组接触的邻近距离在G1期表现出微妙的变化。该方法直接证明了两个主要的组蛋白基因调控蛋白HINFP(H4基因调控因子)和NPAT定位于染色质环锚定点，即CTCF结合，支持了组蛋白生物合成作为染色质包装新复制DNA的严格要求。HLB 介导时空表观遗传调控，这对于细胞周期控制的组蛋白生物合成是必需的，组蛋白是核小体和染色质结构的基本亚基。高阶染色质结构可保护DNA 免受损伤，并通过调节转录因子与启动子和增强子的可及性来介导表观遗传抑制或基因表达激活。因此，染色质结构和高阶基因组组织对于支持正常细胞生长、存活、分化和功能的基因调控是必不可少的。 图文解析：
图1 要点1：癌症中主要HLB在6p22的高级染色质组织 A.在MCF10乳腺癌进展模型细胞系(MCF10A、MCF10AT1和MCF10DCIS)中，DNA FISH/IF显示HLB因子NPAT(红色)与组蛋白基因簇6p(绿色)共染。Insets显示单个细胞中6p位点的HLB染色。结果表明，NPAT焦点聚集在染色体6p22上的组蛋白基因簇上 B.在MCF10乳腺癌进展模型细胞系(MCF10A、MCF10AT1和MCF10DCIS)中，100kb bin之间存在50个最强的相互作用。每个拱终止于两个相互作用仓，拱的高度表示观测到的相互作用与预期的相互作用的比率。每个拱形的颜色表示一个(蓝色)或两个(红色)末端是否是包含子簇的组蛋白基因的一部分。包含三个子簇(SC)和相互作用的远端区域(DR)的组蛋白的位置显示在拱形图的下方。 C.在多种细胞类型，U2OS(左)和hTERT-RPE1(右)中，HLB的核结构和HLB因子(HINFP和NPAT)以及CTCF的结合。每个图形面板由4个垂直堆叠的单元组成。顶部第一个元素是6号染色体上HLB周围6Mb区域的完整互作矩阵，在50kb或100kb的bin分辨率下观察与预期的比值。第二个元素是如B所描述的拱形图。第三个元素是一组来自ChIP-seq数据集的CTCF、HINFP和NPAT的折叠富集轨迹。底部的第四个元素指示组蛋白子簇的位置与B相同。组蛋白H4基因和TAD边界同时存在HINFP和NPAT，表明H4/HINFP/NPAT轴是组蛋白基因簇内染色质环的关键决定因素。
图2 要点2：HLBs长程相互作用的细胞周期依赖性变化 A.有丝分裂释放后，U2OS细胞中50kb bin分辨率的接触矩阵。组蛋白基因亚簇(SC)以绿色显示在底部，相互作用的远端区域(DR)以橙色显示。 B.热图呈现k-means聚类，行对应A中绘制的交互bin，每一列是有丝分裂释放时间进程中的一个时间点。簇名及其大小被指示到左边。值得注意的是，C1和C2团簇在细胞周期中表现出动态组织，这两个团簇合计占观察到的团簇的3.5%，较大的团簇在热图中被降采样以平衡团簇的代表性。 C.每个聚类的平均趋势线图。个体复制值以点的形式呈现。 D.分配的k-means聚类呈现在一个交互矩阵中。下面，簇1和簇2分别表示组蛋白基因子簇内的大部分相互作用和位于第6染色体簇下游的一个2MB的远端区域。 E.拱形图显示U2OS细胞在有丝分裂释放后360min时簇1和簇2相互作用的强度。FISH探针的位置用灰色方框表示。因此，在G1/S转换期间，HLBs的3D组织似乎是动态的，因为核结构域的组装支持组蛋白基因的表达，以适应新复制的DNA的包装。
图3 要点3：HLBs处的染色质景观揭示了6p位点处潜在的增强子区域。 A-B.MCF10A(A)和MCF10AT1(B)细胞系中HiC和ChIP-seq数据的两种垂直堆叠可视化。每个要素由6个要素构成：1)50kb或100kb bin分辨率下观测值与期望值之比的HiC接触矩阵。2)基于U20S时间进程数据，只有那些被分配到簇1和簇2中的相互作用的拱形图，高度表示在细胞系中观察到的和预期的比例，而颜色表示簇成员。3)每个50kb bin的片段发出与增强子一致的chromHMM状态的所有乳腺癌细胞系之间的共识。4)点表示H3K27ac和组蛋白H3第4位-甲基化峰值调用重叠定义的增强子位置。5）染色质标记和转录因子CTCF在指示细胞系中的ChIP-seq折叠富集(FE)。NPAT和HINFP的ChIP-seq来自两个面板中的U2OS细胞。研究人员注意到，所有ChIP-seq轨迹的FE被缩放到相同的大小，以方便比较同一位点上单个组蛋白标记的结合情况。6）组蛋白基因包含的亚簇(SC)和相互作用的远端区域(DR)的位置。 C.在MCF10乳腺癌模型细胞系中，每个50kb bin中发出Chrom HMM状态的部分的热图与增强子一致，并且4个细胞系的平均值一致。因此，研究人员在HLBs6p的远端区域发现了一个新的增强子元件，该元件可能影响组蛋白基因的表达和HLBs的3D结构。
图4 要点4：在G1进程中验证组蛋白基因亚簇内的基因组联系以及与HLBs远端增强子区域的联系。 A.染色体上HLB基因组位点的示意图显示了所有基因组相互作用的组合，用DNA FISH验证了包含组蛋白基因亚簇(SC1、SC2、SC3)和远端区域(DR1、DR2)或对照探针(CTRL1)的相互作用基因组片段。以下相互作用通过FISH进行验证和分析；1)Sc1-Sc2，2)Sc1-Sc3，3)Sc1-Dr1，4)Sc2-Dr1，5)Sc3-Dr1，6)Dr1-Dr2，7)Sc3-Ctrl1，8)Sc3-Ctrl2。 B.箱线图表示每种细胞类型中个体间相互作用在µm的相对接近距离。在探针位置示意图的下方，分别标明了6号染色体上包含子簇(SC)和相互作用远端区域(DR)的组蛋白基因的基因组位置。以非同步增殖的MCF10乳腺癌进展模型细胞株为研究对象，采用A中提到的探针组合进行DNA FISH验证基因组间的相互作用。每个细胞类型中所有探针对的DNA FISH的代表性显微照片显示在箱线图的下方。 C.对代表细胞周期早期至晚期G1期的细胞的DNA FISH数据分析后得到的邻近距离计算的箱形图。将MCF10模型细胞株进行有丝分裂同步化并释放，收集释放后3h、6h和9h的时间点。因此，邻近性分析与组蛋白6p簇内不同亚区之间的接触同时发生随机和细胞类型特异性时间变化的模型是一致的。
图5 要点5：单个组蛋白基因亚簇与远端增强子区域的基因组相互作用。 A-C.对MCF10A(A)、MCF10AT1(B)、MCF10DCIS(C)和MC10CA1a中与HLB相互作用的远端区域(DR)进行Circos作图。 D.最外圈表示由HINFP/NPAT结合和/或含有组蛋白基因的组蛋白子簇(SC1、SC2、SC3)区域(实心方框)。Ring2包含U2OS和hTERT-RPE1细胞中HINFP和NPAT的峰值调用。最内环包含增强子聚集chromHMM态的一致流行度。观察到的交互bin值与预期的交互bin值用内部链接表示。综上所述，研究人员的发现与HINFP/NPAT复合物在G1期早期到晚期控制HLBs处组蛋白基因簇的高阶基因组组织的形成和动态重塑以支持S期组蛋白mRNA的产生的模型是一致的。 本文小结： 综上所述，研究发现HINFP/NPAT复合物在G1期早期到晚期控制HLBs组蛋白基因簇的高阶基因组组织的形成和动态重塑以支持S期组蛋白mRNA的产生的模型是一致的。本研究为执行细胞周期控制功能和响应CyclinE/CDK2信号的多基因亚核结构域的高阶基因组组织提供了案例。这些研究发现对其他基因表达程序如何协调和时空组织以响应控制增殖、生长和分化的细胞信号通路传导途径的理解。 参考文献： Ghule, P. N., Boyd, J. R., Kabala, F., Fritz, A. J., Bouffard, N. A., Gao, C., Bright, K., Macfarlane, J., Seward, D. J., Pegoraro, G., Misteli, T., Lian, J. B., Frietze, S., Stein, J. L., van Wijnen, A. J., & Stein, G. S. (2023). Spatiotemporal higher-order chromatin landscape of human histone gene clusters at histone locus bodies during the cell cycle in breast cancer progression. Gene, 872, 147441. https://doi.org/10.1016/j.gene.2023.147441 |
