保存されたCTCF部位による連続的かつ指向性の絶縁が幹胚のHoxタイマーの基礎となっている

Oct 31, 2023

Nature Genetics volume 55、pages 1164–1175 (2023)この記事を引用

発生中、Hox 遺伝子はクラスター上の相対的な位置に従って一時的に活性化され、吻尾軸に沿った構造の適切な同一性に貢献します。 この Hox タイマーの根底にあるメカニズムを理解するために、私たちはマウス胚性幹細胞由来の幹胚を使用しました。 Wntシグナル伝達に続くこのプロセスには、クラスターの前部での転写開始と、転写されたDNAセグメントに富むコヒーシン複合体の同時負荷、つまりクラスターの前部に有利な非対称分布が含まれます。 その後、一時的な絶縁体として機能する後部の CTCF 部位が次々とクロマチンの押し出しが起こり、隣接するトポロジー的に関連するドメインとの長距離接触により、より後部に位置する遺伝子の活性化に漸進的な時間遅延が生じます。 変異幹胚はこのモデルを支持しており、進化的に保存され規則的に配置された遺伝子間CTCF部位の存在が、この時間的機構の精度とペースを制御していることを明らかにしている。

哺乳類では、Hox 遺伝子は原腸形成中に転写され、その際、胚が体主軸を生成して組織化します1。 原腸形成の終わりまでに、胚は古典的な Hox mRNA の分布を示し、ドメインが徐々に重複していきます。 その結果、さまざまな前方後方 (AP) 身体レベルの細胞は、HOX タンパク質の異なる組み合わせを発現し、それが細胞集団にどの形態を生成すべきか遺伝的に指示する可能性があります 2,3。 Hox 遺伝子の空間活性化は、そのゲノムクラスター内の相対的な位置によって主に固定されています 4。これは、ハエ 5,6 および AP 軸を持つほとんどの動物で報告されている珍しい特性 7,8,9 です。 脊椎動物では、このメカニズムは転写活性化の時間的順序に関連しており、最初は哺乳類で観察され 10,11、その後一般化されました 12,13。 このタイマーの機能については以前に議論されている 14,15,16 が、伸長軸に新しい中胚葉および神経外胚葉組織を供給する少数の神経中胚葉前駆細胞の分析が困難であるため 17,18、そのほとんどがHox 遺伝子は軸伸長中に活性化されます。

閉じたクロマチン構成の進行的かつ指向性の開口が、隣接する遺伝子の活性化因子への段階的なアクセスと平行し、活性化の開始が Wnt シグナル伝達 21 に依存するというモデルが提案されました。発生中の胚22。 その後の段階では、Cdx 転写因子はより中央に位置する Hox 遺伝子を活性化することが報告され 23、24、25、一方、Gdf11 シグナル伝達はより 5' に位置する (後方) 遺伝子を制御する可能性があります 26、27。 偶然にも、Hox クラスター内の CTCF 結合部位 (CBS) のマッピングにより、次の 3 つのサブドメインが明らかになりました: CTCF 部位のない「前方」ドメイン、一連の CTCF 部位が 3' 末端に向かって配向している中央に位置するドメインクラスターと、いくつかの CTCF 部位が反対の向きを示す後部ドメインの 28。 この CTCF 部位の構成は、種間 29 またはパラロガス遺伝子クラスター 28 間、つまり数億年にわたる進化にわたって高度に保存されており、それらの関与により、点在する Hox 遺伝子の一時的な活性化におけるチェックポイントとして機能する可能性があるという仮説が立てられています。コヒーシン複合体とともに大きなループの形成と安定化に関与します30,31。

ここでは、数日間インビトロで培養した凝集したマウス胚性幹（mES）細胞に由来するガストルロイド 32 を使用して、この問題を再検討します。 Wnt シグナル伝達を 24 時間活性化した後、そのような「幹細胞」33 は尾芽の伸長に似た突起を伸長し始めます 34。 我々は、HoxタイマーがクラスターのCTCFを含まない部分のWnt依存性転写で始まり、それがこのドメインに対するコヒーシン複合体の非対称負荷の増加を引き起こすことを示す。 これに急速に続き、ループ押し出しの 3' から 5' への進行の後、CTCF に富む領域内の遺伝子の段階的な転写活性化と、遺伝子座のクロマチン構造の漸進的な変化が続きます。 我々は、変異幹芽を用いてこのモデルに挑戦し、さらに、転写において5'対3'の非対称性を導入するには第1段階で十分である一方、CTCF部位が配列とこのタイマーのペースを組織化して確保していることを示した。