Последовательная и направленная изоляция консервативными сайтами CTCF лежит в основе Hox-таймера у стеблей.

Oct 31, 2023

Nature Genetics, том 55, страницы 1164–1175 (2023 г.) Процитировать эту статью

Во время развития Hox-гены временно активируются в соответствии с их относительным положением в своих кластерах, способствуя правильной идентичности структур вдоль рострокаудальной оси. Чтобы понять механизм, лежащий в основе этого Hox-таймера, мы использовали стембрио, полученные из эмбриональных стволовых клеток мыши. После передачи сигналов Wnt процесс включает инициацию транскрипции в передней части кластера и сопутствующую загрузку комплексов cohesin, обогащенных транскрибируемыми сегментами ДНК, т.е. с асимметричным распределением в пользу передней части кластера. Затем происходит экструзия хроматина, при этом последовательно более задние сайты CTCF действуют как временные изоляторы, тем самым генерируя прогрессирующую временную задержку в активации более задних расположенных генов из-за дальних контактов с фланкирующим топологически ассоциированным доменом. Мутантные стебли подтверждают эту модель и показывают, что наличие эволюционно консервативных и регулярно расположенных межгенных сайтов CTCF контролирует точность и скорость этого временного механизма.

У млекопитающих Hox-гены транскрибируются во время гаструляции, когда эмбрион производит и организует свою главную ось тела1. К концу гаструляции эмбрион демонстрирует классическое распределение мРНК Hox с прогрессивно перекрывающимися доменами. Следовательно, клетки на различных передне-задних (AP) уровнях тела экспрессируют различные комбинации белков HOX, которые могут генетически инструктировать клеточные популяции относительно того, какую морфологию они должны производить2,3. Пространственная активация любого Hox-гена в значительной степени фиксируется его относительным положением внутри его геномного кластера4, необычным свойством, описанным у мух5,6 и у большинства животных с осью AP7,8,9. У позвоночных этот механизм связан с временной последовательностью активации транскрипции, первоначально наблюдаемой у млекопитающих10,11 и впоследствии генерализованной12,13. Хотя функция этого таймера обсуждалась ранее14,15,16, его механизм остается плохо изученным из-за трудностей анализа немногих нейро-мезодермальных клеток-предшественников, которые питают ось удлинения новой мезодермальной и нейроэктодермальной тканью17,18 и где большинство Hox-гены активируются во время осевого растяжения.

Была предложена модель, согласно которой прогрессивное и направленное открытие закрытой конфигурации хроматина будет параллельно поэтапному доступу соседних генов к активирующим факторам19,20, причем начало активации зависит от передачи сигналов Wnt21, сигнального пути, активного в самой задней части развивающийся эмбрион22. Сообщалось, что на последующих фазах транскрипционные факторы Cdx активируют более центрально расположенные Hox-гены23,24,25, в то время как передача сигналов Gdf11 может регулировать больше 5'-расположенных (задних) генов26,27. По совпадению, картирование сайтов связывания CTCF (CBS) внутри Hox-кластеров выявило следующие три субдомена: «передний» домен, лишенный сайтов CTCF, центрально расположенный домен, в котором ряд сайтов CTCF ориентированы к 3'-концу. кластеров и задний домен, где несколько сайтов CTCF имеют противоположную ориентацию28. Такая организация сайтов CTCF высококонсервативна либо между видами29, либо между кластерами паралогичных генов28, то есть на протяжении нескольких сотен миллионов лет эволюции, что поднимает гипотезу о том, что они могут действовать как контрольные точки во временной активации перемежающихся генов Hox из-за их участия в создании и стабилизации больших петель вместе с когезиновым комплексом30,31.

Здесь мы возвращаемся к этому вопросу, используя гаструлоиды32, полученные из агрегированных эмбриональных стволовых клеток мыши (mES), культивируемых in vitro в течение нескольких дней. После активации передачи сигналов Wnt в течение 24 ч такие «стебли»33 начинают удлиняться выступами, которые напоминают выросты хвостовой почки34. Мы показываем, что Hox-таймер начинается с Wnt-зависимой транскрипции свободной от CTCF части кластера, что запускает повышенную асимметричную загрузку комплексов когезина в этом домене. За этим быстро следует ступенчатая транскрипционная активация генов в богатой CTCF области после прогрессии от 3' до 5' при экструзии петли, наряду с прогрессивными изменениями в архитектуре хроматина локуса. Мы поставили под сомнение эту модель, используя мутантные стебли, и дополнительно показали, что, хотя первой фазы достаточно, чтобы ввести асимметрию 5'-3' в транскрипцию, сайты CTCF организуют и обеспечивают последовательность и скорость этого таймера.