研究人員揭示超級增強子動態(tài)甲基化調(diào)控轉(zhuǎn)錄異質(zhì)性

    CpG DNA甲基化早在70年代就被提出是一種用來控制基因表達的DNA化學修飾，而我們對DNA甲基化在基因組不同區(qū)域的具體功能，在疾病、發(fā)育過程中所扮演的具體角色，以及控制基因表達的詳細機理，直到今天并沒有全面詳細的認知。

    2019年8月15日，美國Whitehead研究所Rudolf Jaenisch聯(lián)合其他課題組在Molecular Cell上發(fā)表文章Dynamic Enhancer DNA Methylation as Basis for Transcriptional and Cellular Heterogeneity of ESCs。

    研究人員選擇了Sox2和miR290-295的超級增強子作為研究對象。這兩個基因的超級增強子對于保持多能性有重要作用，而且其T-DMR在測序數(shù)據(jù)中顯示低水平甲基化。在Castaneous x 129 F1的mESC中（兩套基因組之前含大量SNP,便于區(qū)分不同allele），研究人員將兩個不同顏色的甲基化報告子通過CRISPR/Cas9 敲進Sox2或者miR290-295的超級增強子T-DMR，報告子的熒光可以實時反映在單細胞單染色體水平Sox2或者miR290-295 超級增強子位點的甲基化變化。

    結(jié)果表明細胞間的Sox2, miR290-295 超級增強子的甲基化不但是異質(zhì)性的，而且還是十分動態(tài)的。研究人員利用流式細胞分選 （FACS）純化出等位基因特異甲基化的細胞，在培養(yǎng)過程中這些細胞會重組之前的表觀異質(zhì)性細胞群。利用這些胚胎干細胞的動態(tài)變化和可純化性，研究人員通過基因敲除實驗發(fā)現(xiàn)甲基化的動態(tài)變化反映了三個甲基轉(zhuǎn)移酶（DNMTs）的活性動態(tài)平衡，揭示去甲基化的過程是被動的。同時動態(tài)的甲基化也導致了動態(tài)的H3K27ac在增強子和啟動子的同步變化。

    研究人員還發(fā)現(xiàn)，miR290的不同等位基因超級增強子甲基化不會造成細胞生長或者表觀遺傳的不同，而Sox2如果兩個等位基因超級增強子都被甲基化，會導致細胞生長緩慢，全基因組H3K27ac變化，但卻還可以保留多能干性分化成三個胚層。最后，研究人員用這些干細胞構(gòu)建了有兩個等位基因RGM顏色的SOX2-SE-TG和MIR290-SE-TG轉(zhuǎn)基因小鼠，通過分析這些小鼠的早期胚胎，發(fā)現(xiàn)囊胚的內(nèi)細胞團中Sox2, miR290 超級增強子的甲基化也是異質(zhì)性和動態(tài)變化的。而且由于Sox2和miR290的表達位置不同，在MIR290-SE-TG小鼠中滋養(yǎng)層的miR290 超級增強子甲基化也是異質(zhì)性的。

    該研究系統(tǒng)第一次實時在單細胞和單染色體水平在體外和體內(nèi)同時地證明了增強子甲基化的動態(tài)調(diào)控，而這種動態(tài)調(diào)控是導致細胞間甲基化水平不同的基礎，并且會功能性地導致轉(zhuǎn)錄的異質(zhì)性。該研究的方法學可以被利用到其他系統(tǒng)表觀遺傳異質(zhì)性研究中，比如癌細胞，很多癌細胞顯示不正常的甲基化水平，而每個細胞的甲基化在不同位點、不同疾病階段的失控又是十分不同的。利用該研究，可以更細化地區(qū)分每個細胞在不同位點和不同時間點的甲基化調(diào)控，并且能得出是哪一個下游基因由于甲基化失控導致轉(zhuǎn)錄失控，從而更好地理解發(fā)育、疾病、衰老的表觀遺傳調(diào)控進程。