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年度Top10 | 2017, 超级增强子里程碑式的一年, 必看的10篇高分论文
发布时间:2018-02-05 18:45:26 | 浏览次数:


2013年,Richard A. Young在Cell 发布了他们发现的一种新型基因调控元件——“超级增强子” (Super Enhancers)。至今不到5年,超级增强子相关研究已经屡登世界各大生物学顶级期刊。2017年IF>20的超级增强子文章超过20篇,今天Epi老师从中精选出10篇与大家分享,下面一起来了解超级增强子带给表观遗传学的颠覆性发现。


1

Nature: 致癌基因增强子图谱揭示室膜癌治疗靶点

作者单位:德国NCT海德堡Hopp儿童癌症中心(KiTZ)等

PMID:2925829

Highlights:

这项研究找到了42名包含了各种不同亚型室管膜瘤患者进行实验,来寻找可以作为靶点的超级增强子 (SEs),并验证靶向SEs治疗癌症的可行性。

通过ChIP-seq、全外显子测序 (WES)、全基因组测序 (WGS)、转录组分析、DNA复制数分析以及DNA甲基化数据,研究人员从42名室管膜瘤患者的癌细胞中找到了近1700种癌细胞依赖的SEs,以及与之相关的致癌基因。研究者将这个结果与目前已知的标准SEs数据库进行对比,研究人员发现,这些SEs都具有显著的肿瘤特异性,主要在肿瘤细胞中被激活,其中一些SEs还在其他类型的癌症中起作用。


通过靶向H3K27ac的ChIP-seq,从Heidelberg患者组鉴定得2,196个SEs。

随后,为了确定这些SEs对癌细胞的重要程度,研究人员构建了shRNA对它们进行逐一筛选,最后确定了15个室管膜瘤癌细胞最依赖的SEs,缺少这15个SEs中的任意一个,癌细胞的生存能力下降至少50%。同时,在这1700个超级增强子中,有60%都是癌细胞所依赖的。这进一步证明了,SEs是理想的抗癌靶点。 

研究者针对15个排名最前的室管癌SEs设计了shRNA,抑制它们的表达,发现其中每一个SE的缺失都能使癌细胞的存活率减少至少50%。

最后,研究人员将自己的实验数据与华盛顿大学药物与基因作用数据库进行比对,找到了一种小分子物质,可以特异性抑制SEs对于室管膜瘤细胞内关键致癌基因CACNA1H的增强作用。同时,在室管膜瘤小鼠体内,研究人员发现,这种小分子物质可以使室管膜瘤小鼠生存期延长40%,并且几乎不会影响正常组织细胞存活。

 

 

 

2

Nat genet: 神经母细胞瘤的分化状态与超级增强子有关

作者单位:阿姆斯特丹学术医学中心

PMID:28650485

Highlights:

神经母细胞瘤通常起源于神经嵴,原发于肾上腺部位的小儿肿瘤。在胚胎发育过程中,细胞从神经嵴开始分层,腹侧迁移并分化为产生肾上腺素或去肾上腺素的细胞。

神经母细胞瘤和其他儿科肿瘤中很少出现基因突变,这就激发了研究者对它们的表观遗传调控的兴趣。部分神经母细胞瘤有着表型不一样的细胞,之前有研究提出,SEs相关的转录因子 (TF) 网络是决定谱系身份的基础,然而这些增强子在肿瘤内异质性的作用仍不清楚。

这项研究发现了大多数神经母细胞瘤主要为两种肿瘤细胞,有着不同的基因表达谱。未分化的间充质细胞和肾上腺素能细胞可以相互转化,就像来自不同细胞系不同时期的细胞。研究者通过ChIP-seq,分析了这两种细胞的等位基因对,构建了它们各自的SEs图谱以及相关转录因子网络。间质细胞转录因子PRRX1的表达可以对SEs和mRNA图谱进行重编程,使它们的状态由肾上腺素细胞向间充质细胞转变。间充质细胞在体外具有更高的化学抗性,并在治疗后和复发的肿瘤中富集。两种SEs相关的转录因子网络,可能负责控制正常发育过程中的谱系分化,从而实现对神经母细胞瘤的表观遗传调控,并形成瘤内异质性。

  


3

Nat genet: 通过转录通路定义神经母细胞瘤细胞身份的异质性


作者单位:法国国家健康与医学研究院(INSERM)

PMID:2925829

Highlights:

这项研究构建了神经母细胞瘤的SEs图谱,发现了三种神经母细胞瘤细胞系:第1种,交感神经去甲肾上腺素能身份,特征是具有CRC (核心调节通路) 模块,包括PHOX2B、HAND2和GATA3转录因子;第2种,多能神经嵴细胞 (NCC) 样身份,由含有AP-1 转录因子的CRC模块主导;第3种,混合型,在单细胞水平上进一步去卷积。用化疗药物对混合型治疗,会让NCC样细胞富集。通过ChIP-seq可鉴定去甲肾上腺素能模块。功能研究显示,神经母细胞瘤的去甲肾上腺素身份需要PHOX2B的存在。大多数神经母细胞瘤原发性肿瘤都表达来自去甲肾上腺素能和NCC样模块的转录因子。以上数据阐述了一个未曾报道过的肿瘤异质性情况,这有利于更好地选择神经母细胞瘤的治疗策略。

b. Chip-seq结果表明PHOX2B SEs上结合有PHOX2B、HAND2、GATA3和H3K27ac;e. 抑制PHOX2B表达(转染shPHOX2B),CLB-GA肿瘤细胞生长减缓。

 


4

Cancer Cell: 儿童脑干胶质瘤DIPG的转录特征

作者单位:上海交通大学

PMID:8434841

Highlights:

儿童脑干胶质瘤DIPG是一种恶性儿童肿瘤,治疗方法有限。研究者唐玉杰在2013年发现约80% DIPG中存在H3K27M组蛋白突变,导致致癌基因的转录不受限制,为解析DIPG的发病机制开辟了表观遗传新方向;2015年唐还发现了一个获FDA批准的表观遗传药物,组蛋白去乙酰化酶 (HDAC) 抑制分子panobinostat,能在预临床肿瘤模型中有效治疗DIPG,为DIPG的靶向治疗提供了表观遗传新思路。该药物目前已经进入I期人体临床试验,是根据预临床试验结果开展DIPG靶向药物临床试验的重大突破。

在这项研究中,唐发现DIPG对抑制转录的bromodomain抑制剂和CDK7阻断剂敏感,这两类药物均与panobinostat具有协同杀伤肿瘤的效果,且对HDAC抑制剂治疗耐药的DIPG细胞也对CDK7阻断剂敏感。研究者鉴定了DIPG的SEs,进一步了解了细胞的起源,表明DIPG可能起源于少突胶质前体细胞。通过对肿瘤SEs调控基因的研究,研究者鉴定出重要的致癌分子机制和潜在药物靶标,尤其是意外的发现钾离子通道和EPH受体等相关基因在DIPG肿瘤存活与侵袭中具有重要功能。该研究为深入理解DIPG的肿瘤发生机制和开发新的靶向治疗策略提供了重要的参考。

对3种DIPG H3.3K27M培养物 (SU-DIPG-VI等) 以及突变株SU-DIPG-IV 进行靶向H3K27ac的ChIP-seq分析。


EPH受体和ephrins与DIPG的一个SE有关。填充了颜色的代表与所示的细胞培养物的SE相关。

 

  

5

Nat immunol: STAT5对B细胞增强子网络的拮抗作用导致白血病和患者低存活率

作者单位:美国明尼苏达大学

PMID:28369050

Highlights:

转录因子STAT5对B细胞急性淋巴白血病 (B-ALL) 起着重要的作用,但是人们尚不清楚STAT5是如何参与这个过程的。这篇文章的研究人员首先对异常的癌化的B细胞进行靶向STAT5的ChIP-Seq分析,发现STAT5倾向于结合一些特定的基因片段。在正常的B细胞分化过程中,这些基因片段本来是受其他的转录因子NF-κB和IKAROS所调节靶基因的表达。

通过靶向STAT5的ChIP-seq鉴定SEs,还发现STAT5在B细胞祖细胞的SEs上参与调节性B细胞转录网络,且大量的STAT5与这些SEs结合,是B-ALL的一个显著特征。此外,STAT5的异常高表达,会与NF-κB和IKAROS竞争获得转录因子。在转化的人B细胞中,STAT5与基因结合,同时与NF-κB和IKAROS重叠,从而大大增强了B细胞祖细胞的存活率,增殖和分化的基因表达,表现为不受控制的过度增殖分化,从而导致癌变。

STAT5与B细胞祖细胞的数个SEs结合,抵抗IKAROS对myc位点的调控。

最后,对B-ALL患者的样本进行分析,显示STAT5: IKAROS或STAT5: NK-κb的比值越高,其疾病越严重,预后越不良。未来可开发靶向针对STAT5激活的药物,有效阻止白血病的发生;或者通过检测患者体内STAT5等蛋白质水平,预测治疗方法的有效程度和机体反映。

 

 

6

Cell: miRNA整合网络分析揭示超级增强子介导的RNA调控途径

作者单位:麻省理工学院MIT

PMID:28283057

Highlights:

这项研究发现,SEs通过增强转录和Drosha/DGCR8介导的初级miRNA (pri-miRNA)加工过程,促进对细胞身份识别起着重要作用的miRNA生成。通过SEs和广泛的(broad)H3K4me3结构域可构建组织特异的、进化保守的miRNA表达图谱以及miRNA功能。利用CRISPR/Cas9对基因组进行编辑,揭示SEs的各个组分一起协作,促进Drosha/DGCR8的募集和pri-miRNA加工过程,提高细胞特异的miRNA的生成。BET-bromodomain抑制剂JQ1抑制了SEs指导的共转录pri-miRNA加工过程。此外,SEs与DGCR8/Drosha以及DGCR8/Drosha调控的mRNA有着普遍的相互作用,表明有独特的RNA调控着SEs。最后,多种与肿瘤标志物有关的miRNA上都有SEs。这项研究揭示了miRNA的生理和病理生物学原理,还发现了转录以外的RNA加工过程中有着大量的SEs。

SEs标记了大量的miRNA。

通过CRISPR/Cas9将miR-290-295 SE的组件6删除后,从头生成的成熟miRNA产量显著下降。

在2016年,复旦大学于文强研究团队已发现,许多miRNA自身在基因组的位置与增强子区域高度重合,这些miRNA大多能定位于细胞核内,与增强子结合,并在全基因组的水平上激活基因表达。

 


7

Nature immunol: Satb1依赖性超级增强子可指导调节T细胞发育

作者单位:大阪大学免疫学前沿研究中心(IFReC)

PMID::27992401

Highlights:

 

许多Foxp3+ 调节T细胞(Treg细胞) 都在胸腺发育为功能成熟的T细胞亚群,具有免疫抑制的作用。它们在Foxp3 表达前就被决定好细胞身份; 而主要的Foxp3- Treg前体细胞的分子机制仍不明确。在分析Treg细胞发育途径的过程中,研究人员发现Satb1的表达水平在Treg细胞发育之前达到最高,在发育之后降低。进一步的研究显示Satb1能结合到T细胞发育有关的SEs上,但只有针对能分化成Treg细胞的祖细胞,而不是Treg细胞本身。因此研究人员指出,Satb1也许调控了Treg细胞生成之前的表观遗传变化。接下来,研究人员还发现缺失了“基因组织者”Satb1的小鼠,Treg细胞的发育会受损,而且小鼠会出现自身免疫性疾病的症状,而且这些小鼠祖细胞的SEs活性减弱,从而导致Treg 细胞发育所需基因表达减少。以上数据表明Satb-1依赖性Treg-SE的激活对Treg细胞在胸腺的谱系特异性是至关重要的,它被扰乱是自身免疫性疾病以及其他免疫疾病的成因


Satb1依赖性Treg-SE的构建(establishment)以及它对发育中的胸腺来源Treg 细胞转录变化的控制。

 


振奋人心的表观研究新技术



8

Nature: 绘制基因组结构图谱,发现复杂的多增强子间的接触

作者单位:德国 Max-Delbrück分子医学中心

PMID::28273065

Highlights:

细胞核内的基因组的结构,基因与调控元件的相互作用,都是转录调控的关键,如果被破坏了可能会导致疾病。这篇文章报道了对全基因组进行染色质接触及3D染色质拓扑特征进行测量的方法:基因组结构测绘 (GAM)。这项技术先快速冷冻组织或细胞,切割成单个细胞核的薄片,每片细胞核内的微量DNA被单独测序,再利用该研究团队研发的数学模型SLICE,来识别彼此活动频繁的DNA热点。该模型着眼于不同基因组区域出现的频率,来推断基因和增强子的相对位置。

研究者利用GAM测绘了小鼠胚胎干细胞,利用SLICE数学模型,发现序列上距离较远的活性基因和增强子间有复杂的相互作用,GAM进一步强调了基因表达特异性的接触在组织哺乳动物细胞核基因组中的重要作用。

利用这项技术,研究人员可以发现与基因有接触的调节区域,这对疾病增强子研究等课题都十分重要,GAM能够准确地检测和量化某些在基因组中大量表达的基因之间的“三向接触”。

GAM技术概念图



9

Nat Biotechnol: GRID-seq揭示全局RNA-DNA相互作用组学

Epi老师已对该研究进行过解读,点击此处可跳转阅读




10

Cell: 通过带生物素标记的dCas9原位捕捉DNA相互作用

Epi老师已对该研究进行过解读,点击此处可跳转阅读


 
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