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染色質(zhì)開放性分析揭示了TEAD1作為人膠質(zhì)母細(xì)胞瘤中的遷移調(diào)節(jié)因子
日期:2020-03-04 標(biāo)簽:TEAD1
Analysis of chromatin accessibility uncovers TEAD1 as a regulator of migration in human glioblastoma
摘要:
表觀遺傳學(xué)對(duì)于干細(xì)胞的發(fā)育和分化期的調(diào)控、維持腫瘤干細(xì)胞的狀態(tài)有至關(guān)重要的作用。作者從人腦干膠質(zhì)瘤和正常腦干組織中分離膠質(zhì)瘤干細(xì)胞(GSCs)與神經(jīng)干細(xì)胞(NPSCs),并對(duì)這些干細(xì)胞進(jìn)行ATAC-seq分析染色質(zhì)開放區(qū)域。通過發(fā)展模式和腫瘤特異相關(guān)性兩種模式對(duì)ATAC-seq數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,我們發(fā)現(xiàn)膠質(zhì)瘤干細(xì)胞(GSCs)的差異染色質(zhì)開放區(qū)域主要位于細(xì)胞遷移相關(guān)基因。隨后作者分析了開放區(qū)域的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合情況,發(fā)現(xiàn)TEAD1的motif在差異染色質(zhì)開放區(qū)域中過度表達(dá)。(TEAD1家族蛋白是一類轉(zhuǎn)錄因子,在多種腫瘤細(xì)胞中的主要作用是影響細(xì)胞增殖和遷移能力。)同時(shí),作者進(jìn)行了ChIP-qPCR實(shí)驗(yàn),并與ATAC-seq聯(lián)合分析,發(fā)現(xiàn)TEAD的下游靶基因EGFR、AQP4、CDH4。隨后,作者利用CRISPR-Cas9對(duì)TEAD1敲除,發(fā)現(xiàn)TEAD1敲除后,細(xì)胞增殖遷移能力減弱,且下游靶基因表達(dá)減弱,其中AQP1恢復(fù)對(duì)細(xì)胞遷移和增殖能力的恢復(fù)力度最大。這表明TEAD1直接調(diào)控AQP4的表達(dá)來影響GBM的細(xì)胞遷移能力。
作者為了對(duì)GSCs與NSPCs細(xì)胞中染色質(zhì)開放性進(jìn)行研究,利用CD24/34/45-PE抗體通過流式細(xì)胞術(shù)從神經(jīng)膠質(zhì)瘤(GBM)與神經(jīng)基質(zhì)(GM)中分離具有干性的GSCs與NSPCs細(xì)胞。細(xì)胞膜上是否具有EGF的受體蛋白可作為判斷細(xì)胞是否處于增殖期,因此利用EGF-APC抗體把GSCs分為E-GBM和E+GSC兩個(gè)子集、把NPSC分為E-NPC和E+NSPC兩個(gè)子集(圖1a),然后分別對(duì)四個(gè)子集進(jìn)行ATAC-seq測(cè)序分析。比較E-GBM與(E+GSC和E+NSPC)的ATAC-seq數(shù)據(jù),獲得了與干性細(xì)胞發(fā)育相關(guān)的5020個(gè)差異峰(圖1b)。用基因注釋工具(GREAT)對(duì)差異峰進(jìn)行功能富集分析發(fā)現(xiàn),GSC與NSPC共有基因的主要功能與維持細(xì)胞活性、細(xì)胞增殖相關(guān)(圖1c)。作者將分析重點(diǎn)放在GSC和NSPC之間的差異,發(fā)現(xiàn)了10509個(gè)差異峰(圖1d),并對(duì)差異峰進(jìn)行基因注釋和功能分析發(fā)現(xiàn),GSC與NSPC差異基因的主要功能與細(xì)胞遷移、運(yùn)動(dòng)、細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)相關(guān)(圖1e)。這表明GSCs主要以細(xì)胞遷移為主要特征。
作者對(duì)四組的ATAC-seq數(shù)據(jù)進(jìn)行motif分析,通過比較(E-GBM+NSPC)與E+GSC的ATAC-seq數(shù)據(jù)得出腫瘤特異性相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子列表(圖2a)。比較E-GBM與(E+GSC和E+NSPC)的ATAC-seq數(shù)據(jù)得出干性細(xì)胞發(fā)育相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子列表(圖2b)。對(duì)E+GSC/E-GBM細(xì)胞進(jìn)行RNA-seq測(cè)序,檢測(cè)多種轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)情況,發(fā)現(xiàn)TEAD1在GSC中具有較高的表達(dá)水平,且在E+GSC中表達(dá)更高(圖2c)。
為了評(píng)價(jià)TEAD1與GBM亞型的相關(guān)性,作者從TCGA數(shù)據(jù)庫(kù)中獲得了GBM中TEAD家族的RNA-seq數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)了TEAD1表達(dá)最高(圖2d)。并且在作者分選細(xì)胞的RNA-seq數(shù)據(jù)中也得到了相同的結(jié)果(圖2e)。
作者利用CRISPR-Cas9基因組編輯技術(shù)在GBM中分別敲除TEAD1和TEAD4(圖3a)。比較在無血清培養(yǎng)基中對(duì)照組與兩個(gè)敲除組細(xì)胞的生長(zhǎng)曲線,發(fā)現(xiàn)敲除TEAD1會(huì)導(dǎo)致生長(zhǎng)抑制更加明顯(圖3b)。在低附著條件下比較三組細(xì)胞形成細(xì)胞球的數(shù)量(圖3c)和球體的直徑(圖3d),TEAD1敲除株中細(xì)胞球的直徑最小。Transwell侵襲實(shí)驗(yàn)(圖3e)與細(xì)胞球體分散測(cè)定(圖3f)中敲除TEAD1或TEAD4都會(huì)導(dǎo)致GBM遷移率減少的結(jié)果。最后,在TEAD1敲除組中恢復(fù)表達(dá)TEAD1,并觀察細(xì)胞球體遷移(圖3g),結(jié)果表明恢復(fù)表達(dá)TEAD1后能部分挽救敲除后的遷移缺陷。上述結(jié)果表明TEAD1/4與GBM的遷移能力相關(guān)。
作者使用TEAD1敲除細(xì)胞與GBM細(xì)胞在小鼠體內(nèi)進(jìn)行原位移植,來觀察TEAD1在體內(nèi)是否同樣具有影響GBM細(xì)胞侵襲能力。在原位移植腫瘤細(xì)胞后3.5個(gè)月進(jìn)行組織學(xué)分析,發(fā)現(xiàn)敲除TEAD1后導(dǎo)致體內(nèi)細(xì)胞侵襲能力下降,處于增殖期的細(xì)胞數(shù)減少(圖4a),組織中TEAD1蛋白表達(dá)下降(圖4b),切片中腫瘤細(xì)胞的數(shù)量下降(圖4c)。通過評(píng)價(jià)每張切面中腫瘤擴(kuò)散的面積總和與腫瘤的體積(圖4d)發(fā)現(xiàn)敲除組細(xì)胞擴(kuò)散范圍主要位于注射部位,而GBM組細(xì)胞在體內(nèi)的侵襲范圍較遠(yuǎn)(圖4e)。以上結(jié)果表明,TEAD1在體內(nèi)也會(huì)影響GBM的遷移能力。
根據(jù)RNA-seq與ATAC-seq數(shù)據(jù)分析基因表達(dá)與染色質(zhì)開放性的相關(guān)性(圖5a),結(jié)果顯示中高水平基因表達(dá)與基因啟動(dòng)子中開放染色質(zhì)存在的強(qiáng)相關(guān)性。對(duì)不同亞型的GBM細(xì)胞進(jìn)行ATAC-seq分析,尋找TEAD1的靶基因(圖5b),其中EGFR、AQP4和CDH4的染色質(zhì)開放區(qū)域與TEAD1的motif有較強(qiáng)的相關(guān)性。用ChIP-PCR驗(yàn)證TEAD1與EGRF、AQP4、CDH4的結(jié)合情況(圖5c),結(jié)果發(fā)現(xiàn)TEAD1與三個(gè)基因的結(jié)合能力較強(qiáng)。同時(shí)在敲除TEAD1會(huì)導(dǎo)致AQP4和CHD4蛋白表達(dá)水平下降(圖5d)。以上數(shù)據(jù)表明TEAD1作為AQP4和CDH4的轉(zhuǎn)錄因子,參與調(diào)控AQP4和CDH4的表達(dá)。
已知EGFR與GBM的增殖、遷移能力相關(guān),同時(shí)TEAD1也是EGFR的轉(zhuǎn)錄因子,因此作者進(jìn)一步關(guān)注TEAD1與EGFR的關(guān)系。作者觀察到在體內(nèi)敲除TEAD1導(dǎo)致EGFR的蛋白水平表達(dá)下降(圖6a),然后在體外GBM細(xì)胞中驗(yàn)證TEAD1與EGFR的調(diào)控關(guān)系,發(fā)現(xiàn)敲除TEAD1會(huì)導(dǎo)致EGFR表達(dá)下降、恢復(fù)TEAD1后EGFR的表達(dá)也得到恢復(fù)(圖6b)。最后驗(yàn)證了EGFR下游兩個(gè)通路的關(guān)鍵基因AKT和ERK的表達(dá),發(fā)現(xiàn)敲除TEAD1會(huì)導(dǎo)致pERK下降(圖6c)。
為了進(jìn)一步尋找TEAD1參與調(diào)控細(xì)胞遷移的靶基因,通過比較ATAC-seq富集基因以及敲除TEAD1后GBM的RNA-seq數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)32個(gè)基因的染色質(zhì)開放區(qū)域與TEAD1的motif有相關(guān)性。其中AQP4是三個(gè)下游靶基因中唯一一個(gè)直接受TEAD1調(diào)控的基因(圖7a)。在后續(xù)的細(xì)胞球分散實(shí)驗(yàn)中,敲除了TEAD1而過表達(dá)AQP4能恢復(fù)因TEAD1缺失而引起下降的侵襲能力(圖7b)。最后RT-QPCR結(jié)果表明在敲除組細(xì)胞中恢復(fù)TEAD1的表達(dá)能恢復(fù)AQP4的表達(dá)。這些數(shù)據(jù)進(jìn)一步證明AQP4在GBM遷移中發(fā)揮作用,同時(shí)還證明了TEAD1和下游AQP4表達(dá)之間的直接機(jī)制聯(lián)系。
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