研究人員揭示超級(jí)增強(qiáng)子動(dòng)態(tài)甲基化調(diào)控轉(zhuǎn)錄異質(zhì)性

    CpG DNA甲基化早在70年代就被提出是一種用來(lái)控制基因表達(dá)的DNA化學(xué)修飾，而我們對(duì)DNA甲基化在基因組不同區(qū)域的具體功能，在疾病、發(fā)育過(guò)程中所扮演的具體角色，以及控制基因表達(dá)的詳細(xì)機(jī)理，直到今天并沒(méi)有全面詳細(xì)的認(rèn)知。

    2019年8月15日，美國(guó)Whitehead研究所Rudolf Jaenisch聯(lián)合其他課題組在Molecular Cell上發(fā)表文章Dynamic Enhancer DNA Methylation as Basis for Transcriptional and Cellular Heterogeneity of ESCs。

    研究人員選擇了Sox2和miR290-295的超級(jí)增強(qiáng)子作為研究對(duì)象。這兩個(gè)基因的超級(jí)增強(qiáng)子對(duì)于保持多能性有重要作用，而且其T-DMR在測(cè)序數(shù)據(jù)中顯示低水平甲基化。在Castaneous x 129 F1的mESC中（兩套基因組之前含大量SNP,便于區(qū)分不同allele），研究人員將兩個(gè)不同顏色的甲基化報(bào)告子通過(guò)CRISPR/Cas9 敲進(jìn)Sox2或者miR290-295的超級(jí)增強(qiáng)子T-DMR，報(bào)告子的熒光可以實(shí)時(shí)反映在單細(xì)胞單染色體水平Sox2或者miR290-295 超級(jí)增強(qiáng)子位點(diǎn)的甲基化變化。

    結(jié)果表明細(xì)胞間的Sox2, miR290-295 超級(jí)增強(qiáng)子的甲基化不但是異質(zhì)性的，而且還是十分動(dòng)態(tài)的。研究人員利用流式細(xì)胞分選 （FACS）純化出等位基因特異甲基化的細(xì)胞，在培養(yǎng)過(guò)程中這些細(xì)胞會(huì)重組之前的表觀異質(zhì)性細(xì)胞群。利用這些胚胎干細(xì)胞的動(dòng)態(tài)變化和可純化性，研究人員通過(guò)基因敲除實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)甲基化的動(dòng)態(tài)變化反映了三個(gè)甲基轉(zhuǎn)移酶（DNMTs）的活性動(dòng)態(tài)平衡，揭示去甲基化的過(guò)程是被動(dòng)的。同時(shí)動(dòng)態(tài)的甲基化也導(dǎo)致了動(dòng)態(tài)的H3K27ac在增強(qiáng)子和啟動(dòng)子的同步變化。

    研究人員還發(fā)現(xiàn)，miR290的不同等位基因超級(jí)增強(qiáng)子甲基化不會(huì)造成細(xì)胞生長(zhǎng)或者表觀遺傳的不同，而Sox2如果兩個(gè)等位基因超級(jí)增強(qiáng)子都被甲基化，會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞生長(zhǎng)緩慢，全基因組H3K27ac變化，但卻還可以保留多能干性分化成三個(gè)胚層。最后，研究人員用這些干細(xì)胞構(gòu)建了有兩個(gè)等位基因RGM顏色的SOX2-SE-TG和MIR290-SE-TG轉(zhuǎn)基因小鼠，通過(guò)分析這些小鼠的早期胚胎，發(fā)現(xiàn)囊胚的內(nèi)細(xì)胞團(tuán)中Sox2, miR290 超級(jí)增強(qiáng)子的甲基化也是異質(zhì)性和動(dòng)態(tài)變化的。而且由于Sox2和miR290的表達(dá)位置不同，在MIR290-SE-TG小鼠中滋養(yǎng)層的miR290 超級(jí)增強(qiáng)子甲基化也是異質(zhì)性的。

    該研究系統(tǒng)第一次實(shí)時(shí)在單細(xì)胞和單染色體水平在體外和體內(nèi)同時(shí)地證明了增強(qiáng)子甲基化的動(dòng)態(tài)調(diào)控，而這種動(dòng)態(tài)調(diào)控是導(dǎo)致細(xì)胞間甲基化水平不同的基礎(chǔ)，并且會(huì)功能性地導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄的異質(zhì)性。該研究的方法學(xué)可以被利用到其他系統(tǒng)表觀遺傳異質(zhì)性研究中，比如癌細(xì)胞，很多癌細(xì)胞顯示不正常的甲基化水平，而每個(gè)細(xì)胞的甲基化在不同位點(diǎn)、不同疾病階段的失控又是十分不同的。利用該研究，可以更細(xì)化地區(qū)分每個(gè)細(xì)胞在不同位點(diǎn)和不同時(shí)間點(diǎn)的甲基化調(diào)控，并且能得出是哪一個(gè)下游基因由于甲基化失控導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄失控，從而更好地理解發(fā)育、疾病、衰老的表觀遺傳調(diào)控進(jìn)程。