Notizia

Oct 22, 2023

La sequenza del DNA e i modificatori della cromatina cooperano per conferire bistabilità epigenetica nelle regioni di controllo dell'imprinting

Nature Genetics volume 54,

Nature Genetics volume 54, pagine 1702–1710 (2022)Citare questo articolo

Accessi 14k

2 citazioni

53 Altmetrico

Dettagli sulle metriche

L'imprinting genomico è regolato dalla metilazione del DNA specifica dei genitori delle regioni di controllo dell'imprinting (ICR). Nonostante una sequenza di DNA identica, gli ICR possono esistere in due stati epigenetici distinti che vengono memorizzati durante divisioni cellulari illimitate e ripristinati durante la formazione della linea germinale. Qui studiamo sistematicamente i determinanti genetici ed epigenetici di questa bistabilità epigenetica. Mediante l'integrazione iterativa degli ICR e delle relative sequenze di DNA in una posizione ectopica nel genoma del topo, identifichiamo innanzitutto le caratteristiche della sequenza di DNA richieste per il mantenimento degli stati epigenetici nelle cellule staminali embrionali. Le proprietà regolatorie autonome degli ICR ci hanno inoltre permesso di creare reporter sensibili alla metilazione del DNA e di selezionare i componenti chiave coinvolti nella regolazione della loro memoria epigenetica. Oltre a DNMT1, UHRF1 e ZFP57, identifichiamo fattori che impediscono il passaggio dallo stato metilato a quello non metilato e mostriamo che due di questi candidati, ATF7IP e ZMYM2, sono importanti per la stabilità della metilazione del DNA e H3K9 negli ICR nelle cellule staminali embrionali.

La regolazione epigenetica dell'attività genetica dipende da molteplici strati di modifiche della cromatina che vengono mantenute durante la replicazione del DNA1,2. Per definizione, questi meccanismi epigenetici agiscono indipendentemente dalla sequenza del DNA nei siti genomici che occupano. Tuttavia, diversi studi hanno evidenziato un contributo della sequenza del DNA alla regolazione e al mantenimento delle modifiche della cromatina, impedendo una chiara distinzione tra controllo epigenetico e genetico dell'attività genetica3,4,5,6,7,8. L'imprinting genomico è un fenomeno epigenetico, in cui i segni di metilazione del DNA sugli ICR materni o paterni determinano l'attività specifica dei genitori delle trascrizioni in cis9,10,11. Gli ICR ereditano i segni di metilazione del DNA specifici dei genitori dall'ovocita o dallo sperma, che vengono poi propagati in tutti i tessuti somatici della generazione successiva9. L'eredità di stati epigenetici differenziali sui cromosomi parentali, nonostante l'identica sequenza di DNA, l'identica posizione cromosomica e l'esposizione agli stessi fattori regolatori nel nucleo, rendono gli ICR un ottimo modello per studiare il contributo individuale della sequenza di DNA e delle modifiche della cromatina alla memoria epigenetica.

Sono stati identificati diversi fattori e meccanismi che regolano il mantenimento della metilazione del DNA negli ICR. Una volta depositati i segni di metilazione nella linea germinale12, la metiltransferasi di mantenimento DNMT1 e la sua proteina accessoria UHRF1 sono responsabili del mantenimento della metilazione durante la replicazione del DNA13. Inoltre, sono stati identificati diversi fattori che regolano H3K9me3 negli ICR metilati dal DNA, inclusi SETDB1, KAP1 e G9A14,15,16. È importante sottolineare che. il fattore ZFP57 KRAB zinc-finger lega la sequenza di DNA esanucleotide metilato TGCmCGC e recluta KAP1 e altri fattori associati per stabilire un feedback tra la metilazione del DNA e H3K9me3 agli ICR16,17. In effetti, il legame di ZFP57 e il reclutamento di KAP1 sono passaggi cruciali nella regolazione delle impronte, poiché l'eliminazione (KO) di Zfp57 nei topi provoca la perdita di quasi tutte le impronte e la letalità embrionale18,19,20, e ZFP57 è necessario per il mantenimento della metilazione del DNA e H3K9me3 negli ICR nei sistemi cellulari16,18,21.

Sebbene i fattori che controllano il DNA e la metilazione degli istoni negli ICR siano stati ampiamente studiati, le proprietà della sequenza del DNA degli ICR non sono state esplorate in dettaglio. Inoltre, non è noto se ulteriori attori chiave contribuiscano al mantenimento epigenetico degli ICR. Mediante l'integrazione iterativa delle sequenze di DNA ICR nello stesso sito genomico nelle cellule staminali embrionali di topo (mESC), mostriamo che gli ICR sono elementi genetici autonomi che possono ricapitolare gli stati epigenetici osservati nelle posizioni endogene. Utilizzando questa configurazione, mostriamo che preimpostando la metilazione del DNA, possiamo stabilire due stati epigenetici opposti che vengono propagati fedelmente dall'ICR ectopico. Questo interruttore dipendente dalla metilazione del DNA è unico per gli ICR. Le integrazioni sistematiche di ICR varianti e sintetici ci hanno permesso di identificare i requisiti di sequenza che sono necessari e sufficienti per questo comportamento simile a un interruttore. Inoltre, utilizzando gli ICR ectopici come reporter sensibili alla metilazione del DNA negli schermi genetici di perdita di funzione, confermiamo DNMT1, UHRF1 e ZFP57 come i principali regolatori epigenetici dell'imprinting genomico. Inoltre, identifichiamo ATF7IP e ZMYM2 come fattori coinvolti nella regolazione del mantenimento degli stati epigenetici negli ICR.