線虫Caenorhabditis elegansにおけるコンデンシン結合のゲノムワイド解析
コンデンシンIとIIは、2つのSMCサブユニットMIX-1とSMC-4を共有し、3つの非SMCサブユニットによって区別されます(図1A)。 コンデンシンIDCはコンデンシンIとは一つのサブユニット、SMC-4変異体DPY-27だけで異なる。 我々は、ChIP-seqのための各コンデンシンサブユニットに対する一つまたは二つの異なる抗体を使用し、複数の抗体および生物学的複製に共通するそれらの結合部位を同定した(追加ファイル1:表S1)。 抗体の検証とコンデンシンホロコンプレックスから予想される共免疫沈降相互作用は、追加のファイル2に提示されています。 チップ濃縮スコアの中央値のペアワイズ相関は、コンデンシンI-IDCとIIサブユニットを別々にクラスター化し、三つのコンデンシンタイプ間の個々のサブユニットの分布を確認した(図1B)。
- 三つのコンデンシン複合体の高分解能結合パターンは、
- コンデンシン結合部位は、活性プロモーターで濃縮されている
- コンデンシン結合部位は転写因子のサブセットと有意に一致する
- コンデンシンII変異は、抑制機能を示唆する転写欠陥を引き起こします
- オープンクロマチンに関連付けられているヒストン修飾は、正のコンデンシン結合と相関
- コンデンシン結合部位に濃縮されたDNA配列モチーフは、x上のコンデンシンI-IDC部位に結合したコンデンシンIIが、コンデンシンI-IDCは常染色体コンデンシンII結合部位の大部分に結合しなかった(図1D)。 コンデンシンIDCとII募集の特異性を理解するために、我々はコンデンシンIIとコンデンシンIDC結合を区別するDNA配列の特徴を検索しました。 これまでの研究では、コンデンシンIDCが最初に約100部位に動員され、次に他の染色体部位に広がることが示されている。 10bpのDNA配列モチーフは、コンデンシンIDC募集サイト(図5A)で濃縮され、モチーフの変異は、コンデンシンIDC DNA配列モチーフがコンデンシンIDC募集に重要な役割を果たしていることを示す、染色体外アレイ上のコンデンシンIDC募集を廃止しました。
- SDC-2は、コンデンシンI-IDC、コンデンシンIIおよびコヒーシンローダーをX染色体DCCリクルートサイトに結合するために必要です
三つのコンデンシン複合体の高分解能結合パターンは、
Cに似ています。 elegansコンデンシンIおよびIIは、有糸分裂および減数分裂において部分的に重複するが異なる染色体局在を有し、コンデンシンIDCはXに特異的に標的とされている。 そのため、コンデンシンI、IDC、IIには異なるChIP-seqパターンが存在すると予想されていましたが、コンデンシンI、IDC、IIサブユニットの結合パターンは一般的に類似していました(図1C)。 この類似性は、交差反応性を示さず、コンデンシンI-IDCサブユニットを免疫沈降させないHCP-6抗体がコンデンシンI-IDCサブユニットとの広範な共局在を示したため、抗体の交差反応性によるものではなかった(図1CのHCP-6を参照)。 さらに、コンデンシンIIの重複がコンデンシンIDCとの交差反応性に起因する場合、X上のコンデンシンII結合部位の濃縮が予想されたであろうが、これはそうではなかった(図1D)。 コンデンシンIIと比較して、コンデンシンIDCサブユニットは一貫してX上の高いChIPスコアを持っていた、ChIPによって捕獲された二つのコンデンシン複 我々は混合段階の胚でChIP-seqを行ったので、細胞のほとんど(95%以上4’、6-ジアミジノ-2-フェニルインドール(DAPI)染色によって推定)は間期にあった。 常染色体上のコンデンシンIサブユニットの欠如(図1Cおよび追加ファイル3: 図S1A)および核エンベロープ破壊後にコンデンシンIが有糸分裂染色体に局在するという以前の観察は、ChIP-seqシグナルの大部分が間期からのものであることを示唆している。 これを支持するために、コンデンシンIIは間期の間に核であることが示され、すべての染色体間の結合部位のより等しい分布を示した(図1D)。
KLE-2、HCP-6およびCAPG-2はコンデンシンII特異的であり、したがってコンデンシンII結合を表す。 コンデンシンiおよびIDCは、3つの非SMCサブユニット全てを共有するので、以後、dpy−2 6、DPY−2 8およびCAPG−1からのChip−seq信号を、コンデンシンi−IDCからのものと呼ぶ。 複合体として束縛されているサイトに焦点を当てるために,コンデンシン型特異的キャップサブユニットからのチップ信号を平均化した。 平均化されたデータを使用することに加えて、我々は各分析が単一のサブユニットで真を保持していることを確認し、我々は補足図にHCP-6とDPY-28を提示します。 我々は、2つ以上の非SMCサブユニット間で一貫していたChIP-seqピークのみを選択することにより、高信頼性コンデンシンI-IDCおよびII結合部位のセットを同定した(図1D)。 前述したように、コンデンシンI-IDC結合の97%がX染色体上で起こった。 コンデンシンIIは、常染色体とX染色体上のより強いコンデンシンI-IDCサイトに結合したX.コンデンシンIIとの間に同様に分布していた(図1Eおよび追加のファイル3:図S1B)。
コンデンシン結合部位は、活性プロモーターで濃縮されている
コンデンシンが優先的に結合する領域を特定するために、我々はいくつかのゲノムアノテーションに関してコンデンシン結合部位を分析した。 コンデンシン結合部位は、プロモーター、tRNA遺伝子の近く、および非コードRnaで有意に濃縮された(図2A、追加ファイル4:図S2)。 コンデンシン結合tRNA遺伝子のみプロモーターで発生する可能性を排除するために、我々は転写開始部位(TSS)の1kb以内にあったtRNA遺伝子を除去し、tRNAとコンデン TRNA遺伝子におけるコンデンシン結合は、TFIIICを介したコンデンシン動員が線虫と酵母の間で保存されていることを示唆している。
結合は、TSSの500bp以内で最も高く(追加ファイル5:図S3A)、コンデンシンI-IDCの45%およびコンデンシンIIピークの62%がプロモーターに位置していた。 プロモーターにおけるコンデンシン結合は、下流遺伝子の転写活性と正の相関を示したが(図2B、C)、すべての活性プロモーターが結合したわけではない(図2D)。 結合されたプロモーターの遺伝子オントロジー用語分析は、胚発生機能を有する遺伝子のわずかな(1.3倍)が有意な(P=3.5e-17)濃縮を示した(追加ファイル6:表S2)。 高度に発現された遺伝子(RNAレベルによる上位四分位)の約2 0%は、1kb以内のコンデンシンI i結合部位を有し、X染色体遺伝子の約7 0%は、1kb以内のコンデンシンi−IDC結合部位を有していた。 したがって、転写活性は重要であるが、特定のプロモーターにおけるコンデンシン結合の特異性を説明するのに十分ではない。
我々は、すべてのコンデンシン結合部位は、周囲の領域とランダムな座標と比較してGC含量の顕著な濃縮を示したことに気づいた(図2E)。 線虫では,x染色体プロモーターのGC含量は常染色体プロモーターのGC含量よりも高かった。 より高いGC含量がコンデンシン結合のためのDNA配列特徴であり、xプロモーターがコンデンシンIDC結合を支持するためにより高いGC含量を含むように進化したことが可能である。
コンデンシン結合部位は転写因子のサブセットと有意に一致する
コンデンシン結合プロモーターを区別する追加の因子を決定するために、コンデンシンとTF結合部位を比較し、コンデンシンと同じプロモーターに結合するTFsのサブセットを発見した(図3A)。 以前の研究では、複数のTFsが一組の高占有結合部位(HOT)に結合することが示されていた。 ホットサイトとコンデンシンI-IDCとコンデンシンIIサイトの5%と22%の重複があった(P=0.0002)。 ホットサイトが分析から排除されたとき、TFsとの重複の重要性は同じままであった(追加ファイル5:図S3B)。 個々のTfのうち、コンデンシンII部位の69%とLIN-13部位の53%が互いに重なり合っており、lin-13がコンデンシンIIと有意に重なり合っているトップTFとなっていることがわかりました。
Lin-13は、網膜芽細胞腫タンパク質(pRb)相互作用モチーフとc.elegansの単一pRbホモログLIN-35と外陰部の開発で機能を持っています。 D.melanogasterでは、クロマチンに結合するコンデンシンIIサブユニットdcapd3はpRb変異時に減少します。 C.elegansにおいて、LIN-13がlin-35を介してコンデンシンIIを補充する場合、lin-35(576)にも結合しているLIN-13部位は、LIN-35(1,033)に結合していないLIN-13部位よりもコンデンシンIIと重複するはずである。 コンデンシンIIサイトとLIN-13とLIN-35共占有サイトの重複は、それぞれLIN-13サイト、60%と50%なしLIN-35サイトのそれよりもわずかに高かった(図3B)。 逆に、リン-35とコンデンシンIIとの重複は、非結合部位(9%)と比較して、リン-13によっても結合された部位(45%)で高かった。 これは、LIN-13とコンデンシンIIとの間の潜在的な相互作用は、主にLIN-35独立していることを示唆している。 LIN-35はまたEFL-1およびDPL-1を含んでいるc.elegans(人間のhDREAM)のDRMと呼ばれる保存された多蛋白質の複合体の内で作用します。 LIN−1 3に結合した5 5 5個のDRM結合部位は、lin−1 3に結合しなかった7 8 7個のDRM部位(1 3%)と比較して、コンデンシンI I(6 3%)とのより大きな重複を示した。 コンデンシンII部位をLIN-13およびLIN-35との結合部位の重複に従って四つのグループに分けた(図3C)。 このグループ化は、コンデンシンIIサイトの多数が高いLIN-13結合を示すが、ないLIN-35、prb媒介コンデンシンII募集が線虫で保存されている場合、LIN-35はコンデンシンII募集のLIN-13の存在に依存する可能性があることを示唆していることを示した。
コンデンシンII変異は、抑制機能を示唆する転写欠陥を引き起こします
酵母およびd.melanogasterでは、コンデンシンは転写抑制に関与しています。 D.melanogasterの一つの最近の研究は、コンデンシンIIサブユニットCAPD3は、抗菌ペプチド遺伝子のクラスターの転写活性化のために必要であることを示した。 転写調節におけるコンデンシンIIの役割を理解するために、我々はkle-2ヌル変異体L2/L3幼虫におけるRNA-seqを行った。 母性的にロードされたKLE-2は、kle-2ヌル変異体(ok1151対立遺伝子)が無菌成人に成長することを可能にする。 我々は、このようにほぼ完全に期間核を含む、生殖系列が増殖される前に、l2/L3幼虫におけるヘテロ接合およびホモ接合kle-2変異体における遺伝子発現 Deseq2を用いた差動発現解析は、その発現がヘテロ接合体幼虫と比較してホモ接合体で有意に異なっていた356遺伝子を同定した(偽発見率<5%;Deseq2の結果は、追加のファイル7に提示されている:表S3)。 差動的に発現された遺伝子の大部分は、発現において減少した(3 0%)よりもむしろ増加した(7 0%)。 遺伝子オントロジー用語分析は、KLE-2変異によって影響を受けた遺伝子の特定のグループを明らかにしなかった。 コンデンシンIDCの公開されたデータと同様に、KLE-2結合と遺伝子発現の変化との間に直接的な相関はなかった。 重要なことに、46の差動発現およびKLE-2結合遺伝子のうち、KLE-2結合していない310遺伝子の67%と比較して83%の発現が増加し(図3D)、コンデンシンII結合の直
オープンクロマチンに関連付けられているヒストン修飾は、正のコンデンシン結合と相関
コンデンシン結合のクロマチンのコンテキストを理解す コンデンシン結合と活性クロマチンのマークとの間に一般的な正の相関を観察した。 酵母では、細胞周期全体のコンデンシン結合部位の数は、染色体の長さと直接相関する。 Cの数。 elegansコンデンシンII結合部位は染色体長に比例しなかった(図4A)が、活性ヒストンマークに関連付けられている染色体の長さと正の相関していた(図4B)。 X染色体はクロマチンを変える適量の補償のメカニズムが原因で例外、多分だった。 ゲノムを横切るコンデンシンI-IDCおよびII結合は、H3K27Acのようなオープンクロマチンマークと正の相関を示し、h3K27Me3およびH3K9Me3のようなヘテロクロマチンマークと負の相関を示した(図4Cおよび追加ファイル8:図S4)。 この相関は、ドメイン全体のレベルであった(1kbのwindowsで分析されたように)、我々は分析の”メタ遺伝子”タイプ(データは示されていない)でコンデンシン部位でピークに達した特定のヒストン修飾を見ていなかったように。 免疫蛍光研究では,セントロメア蛋白質は有糸分裂細胞におけるコンデンシンI I結合と重複していた。 混合期はいにおけるcenp-AとコンデンシンI Iチップ-seqシグナルとの間に正の相関は認められず,相間核(混合期はい細胞のほとんどの核)では重複がないことを示唆した。 あるいは、CENP−Aが、細胞当たりのゲノム中のCENP−a陽性領域の小さなサブセットのみに結合することを考えると、cenp−AとコンデンシンIIとの重複は、単一の細胞においてのみ明らかであるかもしれない。 どのクロマチン因子がコンデンシン結合を最もよく予測するかを理解するために、我々は機械学習アプローチを使用した。 C.elegansでは、H4K20Me1はDCCによってx染色体全体で高度に濃縮されているため、h4K20Me1はコンデンシンIDC結合の最も識別的な因子であった(図4D)。 コンデンシンIIの場合、高度に予測クロマチンの特徴は、コンデンシン結合が活性エンハンサーで濃縮されていることを示唆し、H3K27AcとCBP、活性エンハンサーの両方のマーカーである。 注釈付きTSSから2kb離れていた201コンデンシンII結合部位のうち、58はCBP結合部位(P=0.0002)と重なっていた。
コンデンシン結合部位に濃縮されたDNA配列モチーフは、x上のコンデンシンI-IDC部位に結合したコンデンシンIIが、コンデンシンI-IDCは常染色体コンデンシンII結合部位の大部分に結合しなかった(図1D)。 コンデンシンIDCとII募集の特異性を理解するために、我々はコンデンシンIIとコンデンシンIDC結合を区別するDNA配列の特徴を検索しました。 これまでの研究では、コンデンシンIDCが最初に約100部位に動員され、次に他の染色体部位に広がることが示されている。 10bpのDNA配列モチーフは、コンデンシンIDC募集サイト(図5A)で濃縮され、モチーフの変異は、コンデンシンIDC DNA配列モチーフがコンデンシンIDC募集に重要な役割を果たしていることを示す、染色体外アレイ上のコンデンシンIDC募集を廃止しました。
コンデンシンII結合部位の下に濃縮されたGCGC含有DNA配列モチーフを発見した(図5A)。 コンデンシンI IとコンデンシンIDCモチーフの両方がGCGCコアを含んでいたが,コンデンシンIDCモチーフはAGGGによって片側に拡張され,コンデンシンIDCリクルートのX特異性はAGGGを認識する補因子によって達成されることを示唆した。 したがって、他のTFs(例えば)と同様に、潜在的なDNA配列モチーフの一部のみがコンデンシンIIによって結合された。 確かに、我々はh4K16Acなどのアクティブなヒストンマークのために大幅に濃縮された2kbのウィンドウにあったそれらのモチーフを取った場合、結合されたモチーフの割合は11%から29%に増加した。 さらに、結合部位でよりクラスター化されたコンデンシンIDCモチーフと同様に、我々は複数のコンデンシンIIモチーフを含む1kbのゲノムウィンドウが約2.5倍 したがって、motif clusteringとopen chromatin contextは、バインドされているモチーフの選択を指定するのに役立ちます。
すべてのコンデンシンII結合部位がモチーフを有するわけではない。 モチーフのないそれらのコンデンシンII部位では、他の因子が結合の原因となる可能性がある。 あるいは、モチーフを含むコンデンシンIIサイト(27%)の低い割合は、募集後のコンデンシンIIの潜在的な広がりによって説明することができます。 拡散部位にはモチーフが含まれているとは予想されない。 例えば、コンデンシンIDCの場合、高い割合の潜在的な募集部位(56%)はモチーフを含むが、拡散部位(8%)は含まない。 拡散がある場合に対処するためには、同定されたコンデンシンII部位の募集能力の体系的な分析が必要である。
SDC-2は、コンデンシンI-IDC、コンデンシンIIおよびコヒーシンローダーをX染色体DCCリクルートサイトに結合するために必要です
メタゾアンでは、染色体へのコンデンシンリクルートに関与するタンパク質はよく理解されていません。 酵母では、コンデンシン結合は、染色体とのコンデンシン会合を増加させるコヒーシン負荷複合体Scc2/4のそれと重複します。 Scc2/4との重複が酵母とCとの間で保存されているかどうかをテストする。 elegans、我々はSCC-2(また、PQN-85として知られている)のChIP-seq解析を行い、SCC-2サイトの顕著な95%がX上のコンデンシンI-IDCと重複し、60%がコンデンシンIIゲノムワイド(図5B)と重複していることを発見した。 ホット領域が除外された場合、重複は同様のままであった(追加ファイル9:図S5A)。 すべてのコンデンシン部位がSCC-2と重複しているわけではなく、酵母とは異なり、コンデンシンは結合のためにSCC-2に依存しないことを示唆している。 SCC-2結合はプロモーターで高く、転写と正の相関があった(追加ファイル9:図S5B)。 GAGA含有DNA配列モチーフは、SCC−2結合部位の5 8%に存在した(追加ファイル9:図S5C)。 ショウジョウバエNipped-Bとは異なり、S.cerevisiae Scc2と同様に、SCC-2結合は転写された領域内では高くなかったが、遺伝子間のままであった(図5C)。
x染色体上のコンデンシンII結合部位とコンデンシンI-IDCとのほぼ完全な重複(96%)は、異なるコンデンシンの染色体結合のための共通のメカニズムの存在を支持している。 コンデンシンIIおよびSCC-2はx上のコンデンシンIDC募集サイトに結合しているため(図5Dおよび追加ファイル9: 図S5D)、我々はコンデンシンIDCリクルーターはまた、コンデンシンIIとSCC-2を募集することを仮定しました。 X染色体へのコンデンシンIDCの雌雄同体特異的な募集は、SDC-2、SDC-3およびDPY-30によって達成される。 我々は、hcp-6とKLE-2(コンデンシンII)、DPY-26(コンデンシンI-IDC)とSCC-2チップ-seq sdc-2ヌル変異胚で行った。 Sdc−2変異体では、DPY−2 6、HCP−6、KLE−2およびSCC−2結合は、X特異的コンデンシンIDC動員部位(rex−2)で廃止された(図5E)。 Hcp-6とkle-2rex-2での結合は、常染色体コンデンシンサイトに似ているのではなく減少した理由は不明です。 SDC−2に依存しない常染色体およびX染色体部位におけるSCC−2結合は、SDC−2に結合した部位と比較して、sdc−2変異体において類似したままであった(図5F)。 我々の結果は、SDC-2、x染色体にコンデンシンIDCを募集雌雄同体特異的なTFは、また、コンデンシンIIと同じサイトにコヒーシンローディング複合サブユニットSCC-2を募集することを示唆している(追加ファイル10:図S6)。 以前の遺伝的研究は、sdc-2ヌル変異は、このようにsdc-2によるコンデンシンIIとSCC-2募集の機能は、一般的な染色体の凝縮と分離のために不可欠ではな これは、SDC-2によるSCC-2とコンデンシンII募集は雌雄同体特異的な遺伝子調節機能を持っている可能性があります。
SCC-2が募集サイトでコンデンシンIDCの染色体会合に影響を与えるかどうかをテストするために、我々はSCC-2ノックダウン胚対コントロールでDPY-27チッ Rnaiを供給することにより、本発明者らは、SCC−2のレベルを約8 0%ノックダウンすることができた(追加ファイル9:図S5E)。 SCC−2ノックダウン時、本発明者らは、rex−1またはrex−2におけるDPY−2 7結合の有意な変化を見なかった(図5G)。 一貫して、減数分裂染色体に結合するコンデンシンIとIIの免疫蛍光分析は、野生型とscc-2変異体の間に有意な差を示さなかった。