L3-Enhancers e differenziamento

Trascrizione tessuto-specifica
•  I vari tipi cellulari di un organismo condividono
l’espressione di molti geni necessari alle funzioni vitali
(geni houskeeping), ma differiscono per l’espressione di
geni necessari alla funzione specifica del tessuto o tipo
cellulare.
•  Questi ultimi conferiscono alle cellule una loro identità
cellulare e la capacità di rispondere a certi segnali.
•  Il “codice regolativo” che controlla la trascrizione
cellula-specifica risiede per la maggior parte
negli enhancers.
•  Il numero di sequenze di DNA con potenziale
funzione di enhancer è stimato nell’ordine di
1x106 (mammiferi), ma solo una piccola frazione
di queste sequenze (~3-6x103) è attiva in un
determinato tipo cellulare.
•  Il processo attraverso il quale gli enhancers
cellula-specifici vengono attivati è detto
“selezione” e avviene, schematicamente in due
fasi:
•  A) Priming. L’enhancer non è attivo ma ha un
profilo epigenomico “permissivo”. Può essere
rapidamente attivato.
•  B) Attivazione. Enhancers “primed” con
variazione del profilo epigenomico (acetilazione
e demetiazione H3K27 e H3K9, e spostamento
dei nucleosomi).
•  Due categorie di fattori di trascrizione (FT)
partecipano al processo di selezione:
•  A) FT determinanti il lineage cellulare
(LDTF); pionieri, “creano” gli enhancers
tipo primed. Tessuto-specifici.
•  B) FT segnale-dipendenti (SDTF); si
legano ad enhancers già primed
attivandoli. Non necessariamente tessutospecifici.
Primed
LDTF: Lineage-determining transcription factor
CTF: Collaborating transcription factor
SDTF: Signal-dependent transcription factor
H3K27Ac
H3K4me1
Controllo
H3K27Ac
H3K4me1
Controllo
SDTF: NF-kB (p50 e p65)
LDTF (macrofagi): PU.1
Regolazione dinamica durante il
differenziamento cellulare
•  Differenziamento: “fenomeno epigenetico”
•  Modello comunemente usato: Cellule embrionali
staminali (ES) di topo e umane, normali e
mutate.
•  Metodi di studio principali: ChIP-seq e RNA-seq
ES cells
Inner
cell
mass
Fertilized
egg
Morula
Blastocyst
~E3.5
Modello: Differenziamento di cellule staminali embrionali (ES),
metodo “EB” (Embryoid Bodies).
Lania et al., HMG 2015
Cellule ES indifferenziate
•  Espressione elevata di geni associati a
pluripotenza (per es. Oct4/Pou5F1, Nanog,
Sox2, Klf4, Myc).
•  Basso livello di eterocromatina.
•  Eterocromatina costitutiva meno condensata.
•  Arricchimento di acetilazione istonica e
H3K4me3, ipometilazione del DNA.
•  Trascrizione “diffusa” (genoma “iperattivo”).
•  In generale, cromatina più “aperta”, accessibile.
•  Ma: i geni Lineage-specifici sono soppressi.
Cellule ES differenziate
•  Silenziamento dei geni associati a pluripotenza.
•  Espansione dei domini H3K27me3 e
dell’eterocromatina.
•  Attivazione (H3K27Ac+) di enhancers associati a
geni lineage-specifici rilevanti per il particolare
tipo di differenziamento.
•  Silenziamento di geni lineage-specifici non
rilevanti (tramite K27me3 e/o metilazione del
DNA).
•  Geni funzionalmente correlati tendono ad avere
un profilo cromatinico simile.
K27me3
K9me2, 3
H3K27ac
indifferenziate
differenziate
ES cells
Inner
cell
mass (ICM)
Fertilized
egg
Morula
Blastocyst
~E3.5
trofoblasto
Setdb1-> H3K9me
NuRD -> HDAC
ICM
(geni trofoblasto)
ICM
(geni pluripotenza)
LIF -> Stat3
Post-implantation
Ehmt2-> H3K9me2
Post-implantation
Differentiation
HP1: heterochromatin p.
Saga: Gcn5 ->HAT
USP22 ->deubiquitil.
Epigenetic pre-patterning for lineage specification