Sự duy trì trạng thái nhiễm sắc thể hoạt động của HMGN2 là cần thiết cho đặc tính của tế bào gốc trong một mô hình tế bào gốc đa năng

Springer Science and Business Media LLC - Tập 12 - Trang 1-18 - 2019
Sylvia Garza-Manero1, Abdulmajeed Abdulghani A. Sindi1,2, Gokula Mohan1,3, Ohoud Rehbini1, Valentine H. M. Jeantet1, Mariarca Bailo1, Faeezah Abdul Latif1, Maureen P. West1, Ross Gurden1, Lauren Finlayson1, Silvija Svambaryte1, Adam G. West1, Katherine L. West1,4
1Institute of Cancer Sciences, College of Medical, Veterinary and Life Sciences, University of Glasgow, Glasgow, UK
2Department of Basic Medical Sciences, Faculty of Applied Medical Sciences, Albaha University, Albaha-Alaqiq, Saudi Arabia
3Institute of Biological Sciences, Faculty of Science, University of Malaya, Kuala Lumpur, Malaysia
4School of Life Sciences, College of Medical, Veterinary and Life Sciences, University of Glasgow, Glasgow, UK

Tóm tắt

Các thành viên của gia đình protein HMGN điều chỉnh cấu trúc nhiễm sắc thể và ảnh hưởng đến các sửa đổi biểu sinh. HMGN1 và HMGN2 có sự biểu hiện cao trong giai đoạn phát triển đầu đời và trong các tế bào gốc/tiền thân thần kinh của não bộ đang phát triển và trưởng thành. Ở đây, chúng tôi điều tra xem các protein HMGN có góp phần vào tính linh hoạt của nhiễm sắc thể và điều chỉnh biểu sinh cần thiết để duy trì khả năng đa năng của tế bào gốc hay không. Chúng tôi cho thấy rằng sự mất đi Hmgn1 hoặc Hmgn2 trong các tế bào u nguyên bào phôi đa năng dẫn đến tăng mức độ biệt hóa thần kinh tự phát. Điều này đi kèm với sự mất đi các dấu hiệu của khả năng đa năng như Nanog và Ssea1, và sự gia tăng biểu hiện của các yếu tố phiên mã pro-thần kinh Neurog1 và Ascl1. Các tế bào gốc thần kinh được lấy từ các dòng Hmgn-knockout này cũng cho thấy biệt hóa thần kinh tự phát gia tăng và biểu hiện Neurog1. Việc mất HMGN2 dẫn đến sự giảm toàn cầu trong acetyl hóa H3K9, và làm gián đoạn hồ sơ H3K4me3, H3K9ac, H3K27ac và H3K122ac tại các locus Nanog và Oct4. Tại các gen nội bì/mesoderm, các tế bào knock-out Hmgn2 cho thấy sự chuyển đổi từ cấu hình nhiễm sắc thể bivalent sang cấu hình nhiễm sắc thể ức chế. Tuy nhiên, tại các gen dòng thần kinh có biểu hiện gia tăng, không quan sát thấy sự thay đổi biểu sinh và trạng thái bivalent của chúng vẫn được duy trì sau khi mất HMGN2. Chúng tôi kết luận rằng HMGN1 và HMGN2 duy trì bản sắc của các tế bào u nguyên bào phôi đa năng bằng cách tối ưu hóa mạng lưới yếu tố phiên mã khả năng đa năng và bảo vệ các tế bào khỏi sự biệt hóa sớm.

Từ khóa

#HMGN #tế bào gốc #biểu sinh #nhiễm sắc thể #yếu tố phiên mã #phenotype đa năng

Tài liệu tham khảo

Mattout A, Meshorer E. Chromatin plasticity and genome organization in pluripotent embryonic stem cells. Curr Opin Cell Biol. 2010;22(3):334–41. Bernstein BE, Mikkelsen TS, Xie X, Kamal M, Huebert DJ, Cuff J, et al. A bivalent chromatin structure marks key developmental genes in embryonic stem cells. Cell. 2006;125(2):315–26. Deng T, Zhu ZI, Zhang S, Leng F, Cherukuri S, Hansen L, et al. HMGN1 modulates nucleosome occupancy and DNase I hypersensitivity at the CpG island promoters of embryonic stem cells. Mol Cell Biol. 2013;33(16):3377–89. Meshorer E, Yellajoshula D, George E, Scambler PJ, Brown DT, Misteli T. Hyperdynamic plasticity of chromatin proteins in pluripotent embryonic stem cells. Dev Cell. 2006;10(1):105–16. Kugler JE, Deng T, Bustin M. The HMGN family of chromatin-binding proteins: dynamic modulators of epigenetic processes. Biochimica et Biophysica Acta (BBA). 2012;1819(7):652–6. Ueda T, Postnikov YV, Bustin M. Distinct domains in high mobility group N variants modulate specific chromatin modifications. J Biol Chem. 2006;281(15):10182–7. Lim JH, Catez F, Birger Y, West KL, Prymakowska-Bosak M, Postnikov YV, et al. Chromosomal protein HMGN1 modulates histone H3 phosphorylation. Mol Cell. 2004;15(4):573–84. Lim JH, West KL, Rubinstein Y, Bergel M, Postnikov YV, Bustin M. Chromosomal protein HMGN1 enhances the acetylation of lysine 14 in histone H3. EMBO J. 2005;24(17):3038–48. Barkess G, Postnikov Y, Campos CD, Mishra S, Mohan G, Verma S, et al. The chromatin-binding protein HMGN3 stimulates histone acetylation and transcription across the Glyt1 gene. Biochem J. 2012;442(3):495–505. Rattner BP, Yusufzai T, Kadonaga JT. HMGN proteins act in opposition to ATP-dependent chromatin remodeling factors to restrict nucleosome mobility. Mol Cell. 2009;34(5):620–6. Murphy KJ, Cutter AR, Fang H, Postnikov YV, Bustin M, Hayes JJ. HMGN1 and 2 remodel core and linker histone tail domains within chromatin. Nucleic Acids Res. 2017;45(17):9917–30. Deng T, Postnikov Y, Zhang S, Garrett L, Becker L, Racz I, et al. Interplay between H1 and HMGN epigenetically regulates OLIG1&2 expression and oligodendrocyte differentiation. Nucleic Acids Res. 2017;45(6):3031–45. Amen M, Espinoza HM, Cox C, Liang X, Wang J, Link TM, et al. Chromatin-associated HMG-17 is a major regulator of homeodomain transcription factor activity modulated by Wnt/beta-catenin signaling. Nucleic Acids Res. 2008;36(2):462–76. Zhu N, Hansen U. HMGN1 modulates estrogen-mediated transcriptional activation through interactions with specific DNA-binding transcription factors. Mol Cell Biol. 2007;27(24):8859–73. Furusawa T, Lim JH, Catez F, Birger Y, Mackem S, Bustin M. Down-regulation of nucleosomal binding protein HMGN1 expression during embryogenesis modulates Sox9 expression in chondrocytes. Mol Cell Biol. 2006;26(2):592–604. Belova GI, Postnikov YV, Furusawa T, Birger Y, Bustin M. Chromosomal protein HMGN1 enhances the heat shock-induced remodeling of Hsp70 chromatin. J Biol Chem. 2008;283(13):8080–8. Gerlitz G, Hock R, Ueda T, Bustin M. The dynamics of HMG protein-chromatin interactions in living cells. Biochem Cell Biol. 2009;87(1):127–37. Cuddapah S, Schones DE, Cui K, Roh TY, Barski A, Wei G, et al. Genomic profiling of HMGN1 reveals an association with chromatin at regulatory regions. Mol Cell Biol. 2011;31(4):700–9. Deng T, Zhu ZI, Zhang S, Postnikov Y, Huang D, Horsch M, et al. Functional compensation among HMGN variants modulates the DNase I hypersensitive sites at enhancers. Genome Res. 2015;25(9):1295–308. Zhang S, Zhu I, Deng T, Furusawa T, Rochman M, Vacchio MS, et al. HMGN proteins modulate chromatin regulatory sites and gene expression during activation of naive B cells. Nucleic Acids Res. 2016;44(15):7144–58. Birger Y, West KL, Postnikov YV, Lim JH, Furusawa T, Wagner JP, et al. Chromosomal protein HMGN1 enhances the rate of DNA repair in chromatin. EMBO J. 2003;22(7):1665–75. Lehtonen S, Olkkonen VM, Stapleton M, Zerial M, Lehtonen E. HMG-17, a chromosomal non-histone protein, shows developmental regulation during organogenesis. Int J Dev Biol. 1998;42(6):775–82. Crippa MP, Nickol JM, Bustin M. Differentiation-dependent alteration in the chromatin structure of chromosomal protein HMG-17 gene during erythropoiesis. J Mol Biol. 1991;217(1):75–84. Pash JM, Alfonso PJ, Bustin M. Aberrant expression of high mobility group chromosomal protein 14 affects cellular differentiation. J Biol Chem. 1993;268(18):13632–8. Furusawa T, Ko JH, Birger Y, Bustin M. Expression of nucleosomal protein HMGN1 in the cycling mouse hair follicle. Gene Expr Patterns. 2009;9(5):289–95. Nagao M, Lanjakornsiripan D, Itoh Y, Kishi Y, Ogata T, Gotoh Y. High mobility group nucleosome-binding family proteins promote astrocyte differentiation of neural precursor cells. Stem Cells. 2014;32(11):2983–97. Abuhatzira L, Shamir A, Schones DE, Schaffer AA, Bustin M. The chromatin-binding protein HMGN1 regulates the expression of methyl CpG-binding protein 2 (MECP2) and affects the behavior of mice. J Biol Chem. 2011;286(49):42051–62. McBurney MW, Rogers BJ. Isolation of male embryonal carcinoma cells and their chromosome replication patterns. Develop Biol. 1982;89(2):503–8. Nichols J, Smith A. Naive and primed pluripotent states. Cell Stem Cell. 2009;4(6):487–92. Kinoshita M, Smith A. Pluripotency deconstructed. Dev Growth Differ. 2018;60(1):44–52. Martello G, Smith A. The nature of embryonic stem cells. Annu Rev Cell Dev Biol. 2014;30:647–75. Ran FA, Hsu PD, Lin CY, Gootenberg JS, Konermann S, Trevino AE, et al. Double nicking by RNA-guided CRISPR Cas9 for enhanced genome editing specificity. Cell. 2013;154(6):1380–9. Abranches E, Guedes AM, Moravec M, Maamar H, Svoboda P, Raj A, et al. Stochastic NANOG fluctuations allow mouse embryonic stem cells to explore pluripotency. Development. 2014;141(14):2770–9. Zhao W, Ji X, Zhang F, Li L, Ma L. Embryonic stem cell markers. Molecules. 2012;17(6):6196–236. Thomson M, Liu Siyuan J, Zou L-N, Smith Z, Meissner A, Ramanathan S. Pluripotency factors in embryonic stem cells regulate differentiation into germ layers. Cell. 2011;145(6):875–89. Jin Z, Liu L, Bian W, Chen Y, Xu G, Cheng L, et al. Different transcription factors regulate nestin gene expression during P19 cell neural differentiation and central nervous system development. J Biol Chem. 2009;284(12):8160–73. Bertrand N, Castro DS, Guillemot F. Proneural genes and the specification of neural cell types. Nat Rev Neurosci. 2002;3(7):517–30. van der Heyden MA, Defize LH. Twenty one years of P19 cells: what an embryonal carcinoma cell line taught us about cardiomyocyte differentiation. Cardiovasc Res. 2003;58(2):292–302. Jamali M, Rogerson PJ, Wilton S, Skerjanc IS. Nkx2-5 activity is essential for cardiomyogenesis. J Biol Chem. 2001;276(45):42252–8. Nakayama Y, Wada A, Inoue R, Terasawa K, Kimura I, Nakamura N, et al. A rapid and efficient method for neuronal induction of the P19 embryonic carcinoma cell line. J Neurosci Methods. 2014;227:100–6. Ying QL, Stavridis M, Griffiths D, Li M, Smith A. Conversion of embryonic stem cells into neuroectodermal precursors in adherent monoculture. Nat Biotechnol. 2003;21(2):183–6. Munoz-Sanjuan I, Brivanlou AH. Neural induction, the default model and embryonic stem cells. Nat Rev Neurosci. 2002;3(4):271–80. Farah MH, Olson JM, Sucic HB, Hume RI, Tapscott SJ, Turner DL. Generation of neurons by transient expression of neural bHLH proteins in mammalian cells. Development. 2000;127(4):693–702. Kim S, Yoon YS, Kim JW, Jung M, Kim SU, Lee YD, et al. Neurogenin1 is sufficient to induce neuronal differentiation of embryonal carcinoma P19 cells in the absence of retinoic acid. Cell Mol Neurobiol. 2004;24(3):343–56. He B, Deng T, Zhu I, Furusawa T, Zhang S, Tang W, et al. Binding of HMGN proteins to cell specific enhancers stabilizes cell identity. Nat Commun. 2018;9(1):5240. Conti L, Pollard SM, Gorba T, Reitano E, Toselli M, Biella G, et al. Niche-independent symmetrical self-renewal of a mammalian tissue stem cell. PLoS Biol. 2005;3(9):e283. Lizio M, Harshbarger J, Shimoji H, Severin J, Kasukawa T, Sahin S, et al. Gateways to the FANTOM5 promoter level mammalian expression atlas. Genome Biol. 2015;16:22. Langmead B, Trapnell C, Pop M, Salzberg SL. Ultrafast and memory-efficient alignment of short DNA sequences to the human genome. Genome Biol. 2009;10(3):R25. Feng J, Liu T, Qin B, Zhang Y, Liu XS. Identifying ChIP-seq enrichment using MACS. Nat Protoc. 2012;7(9):1728–40. Kent WJ, Sugnet CW, Furey TS, Roskin KM, Pringle TH, Zahler AM, et al. The human genome browser at UCSC. Genome Res. 2002;12(6):996–1006. Consortium EP. An integrated encyclopedia of DNA elements in the human genome. Nature. 2012;489(7414):57–74.