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¿Qué controla el silenciamiento de genes específicos durante la diferenciación celular?

¿Qué controla el silenciamiento de genes específicos durante la diferenciación celular?


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Me intriga el hecho de que todas las células de nuestro cuerpo utilizan el mismo ADN. ¿Cómo se diferencian las células durante las divisiones posteriores a la fertilización?

Leí sobre el silenciamiento de genes, que puede ser una respuesta a esto. Pero todavía no entiendo cómo las células deciden qué gen se supone que deben silenciar, haciendo el micro ARN.

Considere un cigoto que comienza a dividirse. Asumiría que el contexto químico y físico de cada célula hija sería más o menos similar al principio. Entonces, ¿cómo puede haber una diferenciación? ¿Existe alguna autoridad supervisora ​​presente en el cigoto que decida qué hacer con cada célula hija?


La diferenciación de las células durante el período posterior a la fertilización está gobernada por un conjunto de genes reguladores llamados genes homeóticos. Estos son genes que "seleccionan" la identidad de segmentos o estructuras enteros en los cuerpos de los organismos en desarrollo. Este gen codifica un factor de transcripción que se expresa en una región específica del organismo a partir de su desarrollo temprano, es decir, la etapa embrionaria. Los factores de transcripción cambian la expresión de los genes diana para ejecutar el "programa" genético adecuado para cada segmento.

Los factores de transcripción homeóticos que se muestran en el diagrama anterior [homología entre genes Hox en ratones y humanos] contienen una región de proteína de unión al ADN llamada homeodominio, que está codificada por un segmento de ADN, llamado homeobox. específicamente denominados genes Hox. Esta familia de genes es responsable de determinar el plan general del cuerpo, como el número de segmentos corporales de un animal, el número y la ubicación de los apéndices y la direccionalidad cabeza-cola del animal.

Además de estos genes, la cascada del desarrollo temprano incluye los siguientes genes:

  • Genes de efectos maternos: estos son genes cuyos ARNm son colocados en el óvulo por la madre antes de la fertilización. Algunos de los ARNm están “atados” a la cabeza o al final de la cola del embrión y son responsables de establecer la polaridad cabeza-cola. Los genes de efectos maternos codifican reguladores de transcripción o traducción que se controlan entre sí y también a otros genes.
  • Genes de brecha: se activan a través de interacciones entre los productos proteicos de los genes de efectos maternos, y también se regulan entre sí. Son responsables de definir regiones grandes de múltiples segmentos en muchos organismos.
  • Genes de reglas de pares: se activan mediante interacciones entre genes gap, y sus patrones de expresión se refinan mediante interacciones entre sí. Aparecen en múltiples "franjas" a lo largo del embrión, similar en patrón a los segmentos del organismo adulto. Cuando falta un gen de regla de par debido a una mutación, hay una pérdida de estructuras en las regiones del segmento donde el gen se expresa normalmente .

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La activación y desactivación de diferentes genes comanda el proceso de diferenciación celular. La expresión génica responsable de la diferenciación celular está controlada por señales intrínsecas y extrínsecas. Esta señalización regulada desde el interior y el exterior de la célula es responsable del desarrollo embrionario.

El entorno alrededor de la célula, como las moléculas pequeñas, las proteínas, la temperatura y el oxígeno, controlan la expresión génica. La comunicación celular tiene lugar para decidir el destino de una célula en particular mediante la interacción de señales entre las proteínas sintetizadas alrededor de la célula. Estas proteínas pueden ser morfógenos, factores de crecimiento o citocinas. Esta señalización extrínseca desencadena una señalización intercelular que estimula la expresión de genes. La alteración en la expresión génica al activar o desactivar el gen, regula la producción del producto génico.

La expresión génica está regulada intrínsecamente modificando el ADN. El ADN y la cromatina se alteran químicamente. El cambio en la cromatina afecta la expresión génica al controlar la unión de genes a factores de transcripción. Estas modificaciones químicas epigenéticas se conocen como metilación del ADN y modificación de histonas. La modificación de la cromatina juega un papel importante en la expresión génica durante el desarrollo celular. Por ejemplo, las proteínas responsables de la modificación de la cromatina juegan un papel importante en la diferenciación de las células musculares. Los factores de transcripción MyoD y MEF regulan las enzimas responsables de la modificación de la cromatina, como las histonas acetiltransferasas y desacetilasas.

Vía: https://www.nature.com/scitable/topicpage/gene-expression-reglates-cell-differentiation-931/#

La modificación de la cromatina ayuda a la expresión genética continua que se requiere durante la diferenciación celular. El silenciamiento de genes involucrado en la embriogénesis, promueve el desarrollo celular en tipos de células maduras. Este silenciamiento del gen se realiza al hacer que el gen sea inaccesible para la maquinaria de transcripción, y cuando los genes se necesitan nuevamente en el tipo de célula adulta, la modificación de la cromatina abre el ADN y lo hace disponible para la transcripción.

Los tipos de células embrionarias tienen regiones particulares para la modificación de la cromatina que regulan la expresión génica necesaria para el desarrollo embrionario. Estas regiones pueden modificar la expresión génica activando o silenciando genes.

Vía: (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/16630819)


Fondo

La hematopoyesis está controlada por interacciones entre las células madre hematopoyéticas y su microambiente. Estas interacciones influyen en la retención de células madre en nichos específicos, y en la expansión, divergencia y diferenciación de las células madre y progenitoras [1]. Las moléculas de adhesión son los principales reguladores de las interacciones célula-célula e influyen en múltiples aspectos de la hematopoyesis [1-4]. De hecho, los anticuerpos contra varias moléculas de adhesión, incluidas VLA-4 y VCAM-1, inhiben la capacidad de las células madre hematopoyéticas para poblar la médula ósea de los ratones irradiados [5], y los estudios de eliminación de genes de las integrinas han demostrado su papel fundamental en la localización y colonización de órganos hematopoyéticos primarios en etapa tardía, como el hígado embrionario [6, 7]. Más recientemente, la expresión de N-cadherina se ha implicado en la retención de células madre hematopoyéticas en el nicho de la médula ósea [8-10], aunque esta afirmación no está respaldada por otros estudios [11]. En contraste con su papel en la búsqueda de origen, nuestra comprensión de la biología de las moléculas de adhesión en el compromiso y la diferenciación del linaje está mal definida.

El antígeno de células hematopoyéticas, también conocido como molécula de adhesión de células leucocitarias activadas (ALCAM / CD166), es un miembro de la superfamilia de las inmunoglobulinas. Se expresa en la superficie de las células hematopoyéticas más primitivas en el hígado fetal humano y en la médula ósea fetal y adulta [12]. Otros estudios han encontrado expresión de ALCAM en subconjuntos de células estromales en el mesodermo paraaórtico y otros sitios primarios de hematopoyesis en el embrión humano [13]. Las interacciones mediadas por ALCAM son importantes durante el desarrollo neural [14], la maduración de las células madre hematopoyéticas en los tejidos hematopoyéticos [12, 15], las respuestas inmunitarias [16] y la progresión tumoral [17]. Los anticuerpos anti-ALCAM inhiben la formación de colonias mieloides in vitro por mecanismo que permanece desconocido [18]. Hemos demostrado anteriormente que ALCAM participa en la transmigración de monocitos a través de monocapas endoteliales [19]. Más reciente en vivo Los estudios han demostrado que ALCAM es esencial para la migración de monocitos a través de la barrera hematoencefálica [20]. Otros estudios indican que la interacción de ALCAM en células dendríticas con el ligando de células T CD6 es necesaria para una activación óptima de las células T [21]. Si bien estos estudios destacan el papel de ALCAM en la biología de células de leucocitos maduros y activados, actualmente no hay información sobre el papel de ALCAM en la biología de células progenitoras hematopoyéticas.

En este estudio, examinamos la expresión de ALCAM en líneas celulares hematopoyéticas humanas. El gen ALCAM se clonó y se caracterizó funcionalmente en líneas celulares K562. Se investigó la influencia de ALCAM en la diferenciación megacariocítica de células K562.


Introducción

La pausa transcripcional es el fenómeno en el que los genes experimentan el inicio de la transcripción sin elongación. Inicialmente se pensó que ocurría solo en casos raros, como los genes de choque térmico de Drosophila (revisados ​​en [1]), Krumm et al propusieron que la pausa podría ser un mecanismo más general basado en un análisis detallado del ratón. c-myc gen [2]. Un estudio más reciente utilizando inmunoprecipitación de cromatina seguida de hibridación de chip (chip-chip) o secuenciación profunda (seq-ChIP) ha revelado que la pausa transcripcional ocurre, de hecho, en una gran fracción de genes en mamíferos [1], [3], [ 4], [5], [6], [7] y células de Drosophila [8], [9]. Se han descrito transcripciones cortas no productivas tanto en el sentido como en el antisentido [10], [11] en muchos genes, y muchos genes reguladores del desarrollo parecen estar en pausa tanto en los tipos de células pluripotentes como en los diferenciados. En contraste, los genes de mantenimiento constitutivamente activos generalmente no exhiben pausas transcripcionales [12]. Esto sugiere que la pausa transcripcional es un mecanismo generalizado para controlar los programas de expresión génica específicos del tipo celular.

A pesar de estos avances, la importancia fisiológica de la pausa transcripcional aún no está clara. Notamos que la mayoría de los estudios sobre pausas, hasta la fecha, se han centrado en células en estado estable. Presumimos que la pausa puede ser importante para permitir que las células cambien rápidamente los niveles de expresión génica en respuesta a señales ambientales. La diferenciación de células madre pluripotentes hacia células más comprometidas proporciona un sistema modelo humano para estudiar uno de los cambios más dramáticos de los estados celulares. Intentamos comprender cómo se regula dinámicamente el aparato de transcripción a medida que se establecen nuevos patrones de expresión génica durante la diferenciación. Para probar la hipótesis de que la pausa transcripcional es un estado de transición clave para la expresión génica, utilizamos un sistema dirigido para diferenciar las células madre embrionarias humanas al mesodermo temprano [13] y cuantificamos el flujo de loci codificantes de proteínas entre los estados activo, pausado y silencioso usando una combinación de inmunoprecipitación de cromatina y análisis de transcripción 3 & # x02032.


Discusión

En este estudio, determinamos la dinámica del silenciamiento génico en el (futuro) Xi mediante la secuencia de ARN específica de alelo durante la diferenciación de las ESC femeninas. Optimizamos el mapeo de RNA-seq específico de alelo por GSNAP [46] en un procedimiento sencillo y eficiente, obteniendo así perfiles de expresión génica de alta resolución no sesgados de ambos alelos. La cinética de silenciamiento de genes individuales durante XCI revela un componente lineal en la propagación de la inactivación sobre Xi. Esto está respaldado por el aumento en la distancia de cuatro grupos cinéticos asociados con el silenciamiento de genes, así como por la alta proporción de silenciamiento de genes para genes cercanos al XIC en etapas muy tempranas de XCI. El escape de XCI de tres regiones muy distales del XIC, tanto en ESC diferenciadas ES_T de seis pasos como en NPC, podría ser consecuencia de una dispersión lineal incompleta. Se ha demostrado que el silenciamiento mediado por XCI solo puede ocurrir en una ventana de tiempo corta del desarrollo / diferenciación embrionaria, también conocida como la “ventana de oportunidad” [53]. Como consecuencia, las células que no completan XCI dentro de este período de tiempo pueden no inactivar partes del cromosoma X que están a mayor distancia del XIC y, por lo tanto, silenciadas tarde. Los NPC utilizados en el estudio actual, así como los NPC generados por Gendrel et al. [52] en el que las regiones de escape también están presentes, se han derivado de los ESC de seis pasos ES_T [35]. Durante la amplia diferenciación in vitro hacia NPC, un subconjunto de ESC podría haber completado XCI (NPC_129-Xi), mientras que en otras células el proceso XCI permanece incompleto (* NPC_129-Xi y NPC_Cast-Xi). En las últimas celdas, partes del Xi permanecen activas, ya que no son silenciadas durante la ventana de oportunidad. Aparentemente, la actividad de los genes no silenciados en el Xi se tolera en los NPC, aunque podría afectar la viabilidad celular, ya que notamos que las líneas * NPC_129-Xi y NPC_Cast-Xi NPC muestran tiempos de duplicación aumentados en comparación con NPC_129-Xi.

Si de hecho las regiones de escape resultan de XCI incompleto durante la ventana de oportunidad, su localización en regiones muy distales a XCI apoyaría aún más un modelo lineal de propagación de XCI desde el XIC sobre el (futuro) Xi. Sin embargo, similar a lo que se ha demostrado para el XCI impreso del Xi paterno durante el desarrollo temprano del ratón [54], la linealidad claramente sólo explica parte de la dinámica de silenciamiento que observamos. Varios genes cercanos al XIC se inactivan tarde y no muestran signos de silenciamiento en puntos de tiempo tempranos, mientras que otros genes muy distales del XIC se silencian temprano. Por lo tanto, es probable que otros componentes, como la organización espacial del cromosoma X, los TAD (como se comenta a continuación) y el entorno de cromatina local, desempeñen un papel importante en la dinámica de silenciamiento del Xi. De hecho, se ha demostrado que las primeras regiones que contienen una ocupación enriquecida de Xist se extienden por todo el cromosoma X lineal, pero tienen proximidad espacial al XIC [17, 18]. Además, también el nivel de expresión génica afecta la cinética del silenciamiento de XCI, ya que observamos que los genes altamente expresados ​​muestran un retraso leve pero significativo en el silenciamiento en comparación con los genes poco expresados. Esto podría deberse al hecho de que estos genes altamente expresados ​​tardan más en alterar el entorno de la cromatina local al depositar marcas asociadas con el silenciamiento, como H3K27me3 [22, 55, 56]. Por otro lado, la estabilidad de los diversos ARN también influye en la cinética del silenciamiento ligado al cromosoma X durante XCI. Los ARN estables tienen una vida media más larga y, por lo tanto, mostrarán una dinámica de silenciamiento más lenta en nuestro análisis. Un estudio reciente que investigaba la estabilidad de las transcripciones ligadas al cromosoma X mostró un aumento general de la vida media de las transcripciones ligadas al cromosoma X frente a las transcripciones autosómicas [57, 58]. Entre las transcripciones ligadas al cromosoma X, la vida media varió entre 2 y 15 h, siendo la vida media media de 6 h. Dado que este marco de tiempo es mucho más corto que el curso de 8 días de diferenciación de EB, la estabilidad del ARN probablemente tenga poca influencia en la agrupación que realizamos (Fig. 4). Más bien, la agrupación ha sido dictada por el silenciamiento de la transcripción en la cromatina.

Las tres regiones de escape identificadas en el estudio actual (Figs. 5 y 6) corresponden en gran medida a los TAD que se caracterizan en las ESC femeninas indiferenciadas. Junto con la observación de que los grupos de escape en humanos se correlacionan estrechamente con los TAD, esto sugiere un papel funcional para los TAD durante XCI. Previamente, los TAD han estado implicados en la regulación de XCI dentro del XIC, estando presentes los promotores de Tsix y Xist en TAD vecinos con destinos transcripcionales opuestos [59]. Además, se ha demostrado que los TAD se alinean con grupos de genes regulados de forma coordinada [59]. La observación actual de que las regiones que escapan a XCI corresponden a TADs sugiere que los genes dentro de TADs están co-regulados para inducir el silenciamiento en una forma de dominio durante XCI. Esto implicaría que los TAD son los compartimentos funcionales en la estructura de la cromatina de orden superior que se dirigen a la inactivación durante el inicio de XCI. Una vez dirigido, el silenciamiento podría propagarse dentro del TAD de modo que los genes asociados se inactiven. Aún no se ha resuelto cómo funcionaría esto, pero los mecanismos funcionales podrían parecerse a los que actúan en el silenciamiento epigenético de largo alcance (LRES) mediante el cual grandes regiones (hasta megabases) de cromosomas pueden suprimirse de manera coordinada [60].

En conjunto, observamos que la dinámica de XCI encaja con los modelos bifásicos propuestos previamente en los que la propagación secundaria de la inactivación se produce a través de los llamados elementos de retransmisión, estaciones de paso o estaciones de acoplamiento, cuya naturaleza sigue siendo difícil de alcanzar [18, 21, 22, 61]. (ver Ng et al. [62] para una revisión reciente). Nuestro estudio sugiere que los TAD son los objetivos principales durante la propagación de XCI, después de lo cual se produce la propagación secundaria dentro de los TAD. Es probable que dicha participación de los TAD en XCI sea muy temprano durante el proceso de inactivación, ya que se ha demostrado que Xi tiene una organización cromosómica más aleatoria en etapas posteriores en las que la organización global en los TAD se reduce y los contactos específicos de largo alcance dentro de los TAD. se pierden [35, 59, 63]. Una posibilidad interesante para investigar más a fondo el papel de los TAD durante la inactivación del (futuro) Xi es investigar el silenciamiento génico dentro de los TAD durante XCI, por ejemplo, durante el curso de tiempo de formación de EB que realizamos. Sin embargo, la resolución actual de RNA-seq específico de alelo carece de resolución para dicho análisis, principalmente debido a (i) el número limitado de sitios polimórficos disponibles para distinguir ambos alelos y (ii) la profundidad muy alta de secuenciación necesaria para obtener un alelo confiable llamadas específicas para genes de baja expresión (que por definición tendrán una baja cobertura sobre sitios polimórficos). Para el estudio actual, obtuvimos información alélica para 259 genes ligados al X durante el curso de tiempo de diferenciación de EB, mientras que los cromosomas X consta de 124 TAD (archivo adicional 7: Tabla S5). Este número medio de genes por TAD es insuficiente para estudiar la dinámica de expresión dentro de los TAD.

Además de los genes dentro de las regiones de escape, ninguno de los genes restantes del cromosoma X está presente en grupos de genes de escape contiguos. Además, otros genes de escape co-ocupan el TAD en el que están localizados con genes que están sujetos a XCI. Por lo tanto, el escape de genes fuera de las regiones de escape probablemente esté instruido por características epigenéticas distintas de los TAD. Este también podría ser el caso del conocido gen de escape Ddx3x, que es parte de la región de escape 2 pero no del TAD que está asociado con esta región. Junto a los genes de escape informados en la Tabla 1, detectamos algún escape de nivel (muy) bajo en las tres líneas de NPC: una

50 genes muestran & lt10% de contribución de la Xi a la expresión total de un gen (en la mayoría de los casos & lt1%) en su mayoría correspondientes a cinco o menos etiquetas de secuencia (archivo adicional 5: Tabla S4). Un estudio reciente que reporta un hallazgo similar en NPC propuso que esto está asociado con una relajación en el estado epigenético en NPCs así como en células madre neurales en el tejido cerebral [52], sugiriendo que la reactivación del Xi puede ocurrir para estos genes. También para los genes de escape individuales como Kdm5c, se ha informado que inicialmente fueron silenciados al inicio de XCI, después de lo cual se reactivan más tarde durante el desarrollo de Xi [38, 50]. Sin embargo, la mayoría de los genes de escape en los NPC identificados en el estudio actual ya escapan (en gran parte) del silenciamiento durante el establecimiento de XCI, ya que están presentes en los grupos cinéticos 3 o 4 "tardíos" o "no silenciados" en las diferenciaciones de EB femeninas . Esto sugiere que los genes de escape ya están excluidos de XCI desde el principio, y que la mayoría de estos genes de escape, por lo tanto, probablemente contienen características genéticas (epi) que los excluyen de ser silenciados durante la propagación de XCI.

Al determinar los niveles globales de expresión génica en diferentes etapas de diferenciación y desarrollo, nuestros datos además proporcionan información sobre la dinámica de la compensación de dosis entre el cromosoma X y los autosomas. En las ESC, el nivel medio de expresión de genes ligados a X en mujeres y hombres es 1,50 y 0,86 veces mayor, respectivamente, que la expresión de genes autosómicos (archivo adicional 1: Figura S1 Fig. 2c). En comparación con las ESC, la expresión de genes femeninos ligados al cromosoma X en las células madre del epiblasto (EpiSC) se reduce, mientras que la expresión de genes masculinos ligados al cromosoma X aumenta. La expresión autosómica es relativamente estable entre las ESC y las EpiSC femeninas y masculinas. Esto da como resultado niveles muy similares de expresión entre genes autosómicos y ligados al cromosoma X en EpiSC masculinas y femeninas (archivo adicional 1: Figura S1), en línea con las observaciones anteriores de Lin et al. [23]. Se obtienen dinámicas muy similares durante la diferenciación de EB, durante la cual los genes ligados a X se regulan ligeramente al alza de Xa en las hembras (Fig. 2c) y del cromosoma X único en las ESC masculinas (Fig. 3b, panel derecho). Esto sugiere que la compensación de la dosis completa en tipos de células diferenciadas se logra mediante la regulación positiva de los genes en el cromosoma Xa en las hembras y el cromosoma X único en las células masculinas durante el desarrollo embrionario temprano.


Puntos clave

Durante la diferenciación celular, solo se requieren subconjuntos específicos de genes para llevar a cabo la función especializada de una célula. El resto está silenciado. Las regiones inactivas del cromosoma se empaquetan en heterocromatina transcripcionalmente inactiva, mediada por la desactivación de histonas. Estas regiones son únicas para cada tipo de célula diferenciada.

La potenciación genética es un requisito previo para la activación genética. Esto abre la estructura de la cromatina para que el ADN sea accesible a las proteínas activadoras necesarias para la transcripción. Se requiere acetilación de histonas para mediar en esta apertura de cromatina.

Los cromosomas y genes se organizan en zonas nucleares específicas, denominadas territorios cromosómicos, dentro de esto, las regiones potencialmente activas se encuentran en la periferia. Estos territorios ocupan posiciones no aleatorias en el núcleo de interfase, específicas para cada tipo de célula. Se propone que se produzcan cambios en la arquitectura nuclear durante la diferenciación.

Las funciones nucleares como la transcripción también ocurren en compartimentos específicos del núcleo. Por lo tanto, la arquitectura nuclear puede permitir que los genes activos se localicen en regiones que son permisivas para la transcripción.

Evidencia de Drosophila melanogaster y mamíferos indica que el posicionamiento de un gen cerca de la heterocromatina centromérica a menudo promueve el silenciamiento del gen y, del mismo modo, que el secuestro de un gen en un compartimento permisivo a menudo permite la apertura de cromatina heredada de forma estable de un locus.

Se propone que la modificación de la estructura de la cromatina en grandes regiones se inicie mediante el ensamblaje de proteínas en cis-Elementos de actuación denominados elementos silenciadores. Las proteínas que se unen a estos elementos incluyen las proteínas Sir en la levadura y las proteínas Polycomb en Drosophila. Se propone que esta estructura represiva se propague a lo largo del cromosoma.

Los estudios indican que los elementos potenciadores pueden contrarrestar estos eventos de silenciamiento. Se propone la unión de elementos potenciadores para reclutar el gen en una región del núcleo que es rica en factores de transcripción y acetilasas de histonas necesarios para activar la transcripción.

El cáncer está asociado con la alteración de los patrones de expresión génica y la desorganización global de la organización de los cromosomas dentro del núcleo.


INTRODUCCIÓN

Las células germinales primordiales (PGC) son la población fundadora de células que finalmente darán lugar a los gametos maduros. A diferencia de los organismos que tienen una línea germinal determinada en mosaico, las PGC en el embrión de ratón se especifican mediante un mecanismo inductivo que requiere la presencia de varias proteínas morfogenéticas óseas (BMP) que emanan de las células somáticas circundantes (Fujiwara et al., 2001 Lawson et al., 1999 Ying et al., 2000 Ying y Zhao, 2001). Las PGC se pueden detectar por primera vez en el mesodermo extraembrionario a los 7,25 días después del coito (dpc) (Ginsburg et al., 1990). En 8.5 dpc, las PGC ingresan al embrión propiamente dicho y migran activamente a través del endodermo del intestino posterior, colonizando las gónadas en desarrollo entre 10.5 y 11.5 dpc. Durante este tiempo, las PGC proliferan desde una población inicial de 45 células a 7,5 dpc a 25.000 células a 13,5 dpc cuando cesa la proliferación (Tam y Snow, 1981). La diferenciación sexual de la línea germinal comienza a los 13,5 dpc y las células germinales femeninas entran en la profase I de la meiosis. Dentro de la gónada masculina, una señal que se cree que se origina en los cordones de los testículos impide la entrada en la meiosis y las PGC masculinas entran en una detención mitótica en 14,5 dpc (McLaren, 1983). Antes de estos cambios, los PGC masculinos y femeninos son sexualmente indiferentes, capaces de seguir la vía masculina o femenina (McLaren y Southee, 1997).

Poco después de que las PGC entran en las crestas urogenitales, las células germinales masculinas y femeninas experimentan un conjunto común de cambios independientes de la diferenciación sexual. Los cambios en la morfología celular y las propiedades de adhesión celular ocurren cuando las células germinales pasan a un estado no migratorio (De Felici et al., 1992 Donovan et al., 1986 García-Castro et al., 1997). Las PGC masculinas y femeninas también dejan de proliferar, tienen menor potencial para formar líneas de células madre pluripotentes (Matsui et al., 1992 McLaren, 1984 Resnick et al., 1992), y sufren una ola de apoptosis (Coucouvanis et al., 1993 Wang et al., 1993). al., 1998). Estos eventos de diferenciación van acompañados de cambios en la expresión génica, ya que algunos genes marcadores de células germinales, como Tnap (Akp2 - Informática del genoma del ratón) y Zfp148, están regulados a la baja (Donovan et al., 1986 Hahnel et al., 1990 Takeuchi et al., 2003). Otros genes, incluidos Mvh (Ddx4 - Informática del genoma del ratón), Scp3 (Sycp3 - Informática del genoma del ratón), Dazl, Mageb4 y Gcna1 se regulan positivamente durante este tiempo (Cooke et al., 1996 Di Carlo et al., 2000 Fujiwara et al., 1994 Osterlund et al., 2000).

Además de los eventos de diferenciación mencionados anteriormente, las PGC median dos procesos epigenéticos esenciales. Primero, las PGC femeninas reactivan su cromosoma X silenciado, asegurando así que cada ovocito lleve un cromosoma X activo (Monk y McLaren, 1981 Tam et al., 1994). Curiosamente, la capacidad de reactivar el cromosoma X inactivo no se limita a las células germinales femeninas, ya que las células germinales masculinas XXY también poseen esta capacidad de reactivación (Mroz et al., 1999). En segundo lugar, las células germinales migratorias portan marcas de impresión específicas de los padres de origen y altos niveles de metilación específica de alelos que contribuyen a la expresión monoalélica en las CGP migratorias. Estas regiones metiladas diferencialmente se hipometilan a medida que las PGC colonizan las gónadas, lo que conduce a una pérdida de impronta y expresión génica bialélica (Hajkova et al., 2002 Lee et al., 2002 Szabo et al., 2002). Sin embargo, esta ola de desmetilación no se limita a los loci y genes impresos del cromosoma X, ya que varios genes no impresos y secuencias repetitivas también muestran una metilación disminuida en este momento (Hajkova et al., 2002 Lane et al., 2003 Lees- Murdock et al., 2003).

Hemos estado investigando los mecanismos reguladores que subyacen a la diferenciación de células germinales posmigratorias. Varios estudios sugieren que el desarrollo continuo de PGC está regulado por un programa intrínseco celular más que por señales inductivas de las gónadas. Las PGC ubicadas en localizaciones ectópicas entran en la meiosis e inician la expresión del marcador postmigratorio GCNA1 según lo programado sin exposición a las crestas urogenitales (Wang et al., 1997). Se ha demostrado que las células madre embrionarias se diferencian para formar células similares a PGC que pueden pasar a formar células que se asemejan tanto a ovocitos como a espermatocitos, lo que demuestra además que la diferenciación de PGC puede ocurrir independientemente del entorno gonadal (Geijsen et al., 2004 Hubner et al. , 2003 Toyooka et al., 2003). Por último, también se ha sugerido que el cese de la proliferación de células germinales es intrínseco a la célula (Ohkubo et al., 1996).

Anteriormente probamos el potencial de las células germinales premigratorias para diferenciarse en cultivo e informamos que las CGP premigratorias de 8,5 dpc en cultivo alimentador pueden diferenciarse para expresar GCNA1 en el programa temporal correcto (Richards et al., 1999). Sorprendentemente, la tasa de diferenciación en cultivo aumentó cuando las PGC se expusieron al agente desmetilante del ADN 5-azacitidina o al inhibidor de histona desacetilasa tricostatina A (Maatouk y Resnick, 2003). Esto sugiere que los mecanismos epigenéticos pueden contribuir a la regulación de la diferenciación de células germinales.

Aquí, investigamos más a fondo el papel de la metilación del ADN en el proceso de diferenciación de PGC. Presentamos evidencia de que varios genes específicos de células germinales postmigratorias se desmetilan en las células germinales a medida que colonizan las crestas genitales y que la desmetilación del ADN controla la expresión temporal de estos genes in vivo. Además, mostramos que estos genes específicos de células germinales posmigratorias se expresan ectópicamente en embriones mutantes de ADN metiltransferasa, lo que sugiere que la metilación del ADN es un mecanismo de silenciamiento de genes específicos de células germinales en tejidos somáticos. Estos resultados proporcionan la primera evidencia in vivo de la regulación génica embrionaria específica de tejido mediada por cambios dinámicos en la metilación del ADN.


Regulación genética por H3K9me3 en desarrollo

El papel de H3K9me3 en la regulación de genes en tejidos somáticos

En los metazoos, la gametogénesis y la embriogénesis temprana van acompañadas de una reprogramación epigenética extensa durante la cual la mayoría de las marcas de cromatina, incluida la H3K9me3, se borran para otorgar totipotencia al cigoto y luego se restablecen. El restablecimiento de H3K9me3 en los tejidos somáticos es esencial para la progresión normal del desarrollo en Drosophila y mamíferos. Curiosamente, la pérdida de efectores de silenciamiento que controlan principalmente la deposición de H3K9me3 en la heterocromatina constitutiva conduce a fenotipos menos graves que la interrupción de la deposición de H3K9me3 fuera de la heterocromatina constitutiva. Por ejemplo, los ratones mutantes duplican el nulo para los dos parálogos SUV39, que se localizan principalmente en regiones centroméricas, muestran inestabilidad cromosómica y defectos múltiples, aunque algunos animales sobreviven hasta la edad adulta (Peters et al., 2001). Por el contrario, tras la pérdida de SetDB1 / ESET, que está involucrado principalmente en la deposición de H3K9me3 fuera de la heterocromatina constitutiva, la masa celular interna del embrión antes de la implantación no se forma correctamente, lo que conduce a la letalidad antes de la implantación (Dodge et al., 2004). Asimismo, en Drosophila, Su (var) 3-9 Los mutantes nulos son viables y fértiles (Tschiersch et al., 1994), mientras que SetDB1 Las mutaciones con pérdida de función son homocigóticas letales (Seum et al., 2007). Pérdida de varios miembros de la familia HP1 de lectores H3K9me3, incluido el Drosophila Su (var) 2-5 / HP1a y el ratón Cbx1 / HP1β, también dan como resultado fenotipos letales para el desarrollo (Aucott et al., 2008 Eissenberg et al., 1990 Eissenberg et al., 1992 Kellum y Alberts, 1995), destacando la papel esencial de H3K9me3 en el desarrollo temprano.

H3K9me3 en el embrión temprano y ESC

La mayor parte del conocimiento actual sobre el papel de H3K9me3 en el desarrollo somático temprano proviene de estudios en sistemas murinos, que han demostrado que el silenciamiento génico por H3K9me3 es particularmente importante durante el desarrollo embrionario previo a la implantación, la autorrenovación de ESC, la diferenciación celular y el compromiso del linaje celular.

Está bien establecido que existe una interacción compleja entre H3K9me y la metilación del ADN en embriones de mamíferos (Allis y Jenuwein, 2016 Cedar y Bergman, 2009). La metilación del ADN proporciona un modo de silenciamiento estable y mitóticamente hereditario, que se borra temporalmente durante la gametogénesis y tras la fertilización, y la remetilación se produce en el momento de la implantación (Reik et al., 2001 Smith et al., 2012 Wu et al., 2016). Durante este tiempo, H3K9me3 media la represión de genes y transposones, y guía el restablecimiento de la metilación del ADN más adelante (Allis y Jenuwein, 2016 Cedar y Bergman, 2009). A medida que avanza el desarrollo, los genes asociados a la pluripotencia se silencian, mientras que los genes involucrados en destinos celulares alternativos se activan, estos procesos también involucran a H3K9me3. El mapeo de alta resolución de H3K9me3 en el embrión de ratón por ChIP-seq ha revelado un momento finamente regulado del establecimiento de H3K9me3 en diferentes elementos genómicos (Wang et al., 2018). H3K9me3 is present at some developmental genes and some long terminal repeats (LTRs) in oocytes and zygotes, but is lost at the two-cell stage. However, globally the two-cell stage is characterized by a stark increase in H3K9me3, which initially accumulates predominantly on LTRs (Wang et al., 2018). Depletion of SetDB1, KAP1/Trim28, Sumo2 and the histone chaperone Chaf1a leads to H3K9me3 loss and upregulation of several LTRs. In addition, many embryos arrest at the blastocyst stage upon knockdown of these factors, highlighting their importance for proper early development (Wang et al., 2018). As development continues into the implantation stage, H3K9me3 also begins to appear at host genes where different lineages acquire distinct H3K9me3 signatures. Typically, in a specific cell type H3K9me3 is deposited at genes that are characteristic of alternative cell fates (Wang et al., 2018). Thus, the H3K9me3 mark appears to suppress lineage-inappropriate gene expression.

The role of SetDB1-mediated TE, and gene repression and cell fate control is also apparent from studies in mouse ESCs. As in early embryos, LTRs in ESCs are marked by H3K9me3. Depletion of KAP1/Trim28, SetDB1/ESET and its co-factor MCAF1/ATF7IP, the KRAB-ZFP Zfp809, Morc2a, Chaf1a/b, Sumo2 and SUMO pathway enzymes leads to pervasive upregulation of multiple (partially overlapping) ERV targets (Cossec et al., 2018 Fukuda et al., 2018 Karimi et al., 2011 Martens et al., 2005 Matsui et al., 2010 Mikkelsen et al., 2007 Rowe et al., 2010 Wolf and Goff, 2007 Yang et al., 2015). In addition, depletion of the H3K9me3 effectors SetDB1, KAP1 and several KRAB-ZFPs from ESCs leads to de-repression of a subset of protein-coding genes (Ecco et al., 2016 Karimi et al., 2011 Rowe et al., 2013 Wolf et al., 2015b). Notably, a significant fraction of genes activated upon SetDB1 or Trim28 depletion reside in proximity to TEs (mostly ERV and LINEs), and many become transcribed from alternative TSSs residing in concomitantly upregulated ERV regions, thereby forming chimeric transcripts (Karimi et al., 2011 Rowe et al., 2013). Furthermore, SetDB1 and H3K9me3 have been reported to occupy promoter regions in ESCs and early embryos, suggesting that they directly target specific host genes (Bilodeau et al., 2009 Karimi et al., 2011 Wang et al., 2018 Yuan et al., 2009). Consistent with a role for H3K9me3-dependent silencing in maintaining cell fate, depletion of silencing factors from ESCs is generally associated with loss of cell identity. For example, depletion of KAP1/Trim28, Chaf1a, SUMO2/3 or the SUMO E2 ligase Ubc9 leads to conversion of the transcription profile of ESCs to a state resembling that of the two-cell embryo, i.e. a two-cell (2C)-like state, suggesting that these factors maintain the ESC state by repressing 2C-specific genes, including the master regulator of the 2C state Dux (Cossec et al., 2018 Ishiuchi et al., 2015 Macfarlan et al., 2012). Elimination of SetDB1 from ESCs also alters their fate, with cells reported to either die or shift to trophoblast-like fate (Bilodeau et al., 2009 Yeap et al., 2009 Yuan et al., 2009). A large fraction of genes repressed by SetDB1/H3K9me3 are developmental regulators (Bilodeau et al., 2009 Karimi et al., 2011 Yuan et al., 2009). Notably, a subset of genes repressed by SetDB1/H3K9me3 in ESCs also encode factors normally expressed in testis and oocytes (Karimi et al., 2011). A recent study suggested that SetDB1 can be directly guided to at least some germline-specific genes in ESCs by the transcription factor MAX (Tatsumi et al., 2018). Moreover, many genes associated with the germline transcriptional program, such as P-granule components and meiosis genes, are also occupied by SUMO in ESCs (Cossec et al., 2018). Together, these data suggest that, in ESCs, H3K9me3-mediated repression involving SetDB1 and SUMO also plays an important role in maintaining cell identity by suppressing alternative fates. Interestingly, some targets of SetDB1/H3K9me3 in ESCs are also marked by H3K27me3 and DNA methylation, indicating several layers of repression for certain genomic targets (Bilodeau et al., 2009 Karimi et al., 2011).

H3K9me3 functions in lineage commitment and cell differentiation

Gene repression through SetDB1-dependent H3K9 methylation is not restricted to ESCs and pre-gastrulation embryos. Despite a prevailing model that TEs in adult somatic tissues of mammals are silenced by DNA methylation, KRAB-ZFP/KAP1/SetDB1-dependent transcriptional repression was reported to control several cell type-specific subsets of ERVs in a range of adult mouse cell types, including embryonic fibroblasts (MEFs), pre-adipocytes, hepatocytes and B-lymphocytes (Collins et al., 2015 Ecco et al., 2016 Fasching et al., 2015 Kato et al., 2018 Wolf et al., 2015b).

Multiple examples highlight a role for H3K9me3 in cell type-specific gene regulation. High resolution analysis of heterochromatin formation in murine cells from different germ layers, and from hepatic and pancreatic lineages revealed that the number of H3K9me3-marked regions in different lineages increases from early developmental stages until gastrulation, although H3K9me3 is subsequently removed as cells progress into specific lineages (Nicetto et al., 2019). Transient deployment of H3K9me3 in germ layer cells is required to repress genes associated with mature cell function, and failure to properly establish this mark leads to expression of lineage-inappropriate genes later on (Nicetto et al., 2019). Silencing by SUV39H1-dependent H3K9me3 and HP1α deposition was shown to be involved in lineage commitment of Th2 lymphocytes by repressing Th1-specific loci (Allan et al., 2012), and in adipogenesis by restricting the expression of master regulatory genes until differentiation is required (Matsumura et al., 2015). H3K9me3-mediated regulation of host genes and TEs by SetDB1 has also been implicated in transcriptome regulation and normal cell fate switches during murine neurogenesis and oligodendrocyte differentiation (Jiang et al., 2017 Liu et al., 2015 Tan et al., 2012). Notably, SetDB1-repressed genes in neuronal tissue are enriched in factors characteristic for other lineages, and particularly in germline-specific genes (Tan et al., 2012). Germline genes are also targets of SetDB1- and SUMO-mediated repression in ESCs (as mentioned above), pointing to a ubiquitous role of this pathway in suppressing germ cell fate. Finally, Hi-C analysis of SetDB1-depleted postnatal mouse forebrain neurons revealed alterations in chromosomal conformation resulting from CTCF binding to cryptic sites normally occupied by H3K9 and DNA methylation (Jiang et al., 2017).

The H3K9me3 mark has also been found to impede cell re-programming (Becker et al., 2016). Studies in human embryonic fibroblasts, for example, identified over 200 H3K9me3-enriched genomic regions, with an average size of 2.2 Mb, that are refractory to binding of the pioneer transcription factors Oct4, Sox2, Klf4 and Myc (OKSM), thereby impeding re-programming to pluripotency (Soufi et al., 2012). Knockdown of the HMTs SUV39H1 and SetDB1, the histone chaperone CAF1 subunits Chaf1a and Chaf1b, Cbx3/HP1γ, Sumo2 and SUMO pathway components, or overexpression of the Jmjd2c demethylase, improve OKSM binding and reprogramming of fibroblasts to induced pluripotent cells in human or murine systems (Borkent et al., 2016 Cheloufi et al., 2015 Chen et al., 2013 Cossec et al., 2018 Onder et al., 2012 Soufi et al., 2012 Sridharan et al., 2013). Similar ‘reprogramming-resistant regions’ (RRRs) marked by H3K9me3 impede epigenetic reprogramming upon somatic cell nuclear transfer, with overexpression of the H3K9 demethylase Kdm4d or simultaneous depletion of the two SUV39 paralogs partially releasing this impediment (Matoba et al., 2014). Notably, a detailed study of the role of SUMO in the reprogramming of MEFs to pluripotency revealed that, in this context, SUMO is required to maintain the activity of fibroblast-specific enhancers (Cossec et al., 2018). This function is in stark contrast to the role of SUMO in ESCs, where it suppresses RRRs and the 2C-like transcriptome, highlighting a context-dependent function of protein SUMOylation (Cossec et al., 2018).

The role of H3K9me3 in somatic tissues in fruit flies is less well understood. dSetDB1/Eggless is the only essential HMT in D. melanogaster. dSetDB1 appears to be responsible for initial deposition of H3K9me3 and HP1 at many regions in the early embryo (Seller et al., 2019), and dSetDB1 mutations are associated with a wide variety of developmental defects and lethality (Brower-Toland et al., 2009 Stabell et al., 2006 Tzeng et al., 2007). As SetDB1-dependent H3K9me3 is present at multiple genomic loci, including nearly the entire chromosome 4 (which contains 79 genes and is enriched in repeats), the severe phenotypes of SetDB1 loss-of-function mutations are likely due to pleiotropic effects. Factors that recruit SetDB1 to its genomic targets in fly somatic tissues have yet to be established. En Drosophila, mutations in RNAi factors, including Piwi, affect PEV and H3K9me3 in somatic tissues not known to have an active piRNA pathway (Gu and Elgin, 2013 Pal-Bhadra et al., 2004). As piRNA/Piwi are maternally loaded into the egg (but not zygotically expressed outside of the gonads), an attractive model is that maternal piRNA/Piwi complexes guide initial heterochromatin establishment in the early embryo, which is later maintained piRNA independently. There are also some H3K9me3-marked genes in regions that do not have local TEs and cannot be targeted by piRNA, pointing to the existence of piRNA-independent targeting mechanisms (Ninova et al., 2019b). DNA-binding proteins that recruit SetDB1 analogous to the vertebrate-specific KRAB-ZFP family have not been identified.

H3K9me3 and gene silencing in germ cells

Germline specification, gonad development and gametogenesis are highly orchestrated processes associated with extensive epigenetic re-programming. As germ cells carry the genetic material to be transmitted to offspring, they must also be well protected from damaging TE activity. Chromatin modification by H3K9me3 plays an essential role in germ cell development and fertility in both vertebrate and invertebrate animals. Most current understanding of transcriptional repression by H3K9me3 in germ cells comes from studies in the male germline of mice, and in the female germline of Drosophila.

In mice, a population of epiblast cells in the post-implantation embryo forms primordial germ cells (PGCs): the precursors of oocytes and spermatozoa. SetDB1 depletion at early stages of development (prior to E6.5 by Sox2Cre cKO and at E9.5 by TnapCre cKO) was shown to repress PGC formation and lead to gonadal hypotrophy in adults (Liu et al., 2014 Mochizuki et al., 2018). During PGC-like cell induction, SetDB1 was suggested to directly repress several transcription factors involved in mesoderm cell fate, thereby maintaining proper cell identity (Mochizuki et al., 2018). In E13.5 PGCs, SetDB1 was shown to control H3K9me3 levels and repress a subset of retrotransposons from the ERV and LINE1 classes, as well as a number of host genes (Liu et al., 2014). As in other systems, many genes deregulated upon SetDB1 loss are not directly marked by H3K9me3 but reside in the proximity of or initiate their transcription from within TEs (Liu et al., 2014). The factors that guide H3K9 methylation by SetDB1 in early PGCs are not known. Metazoan germline cells typically possess an active piRNA pathway. However, Miwi2, the only nuclear Piwi protein in mice, is not expressed until E14.5-15.5 (Aravin et al., 2008), thus H3K9me3 deposition before this stage is likely piRNA independent. It is possible that, as in other tissues, TEs in early germ cells are repressed by KRAB-ZFPs, but this hypothesis needs to be addressed.

In addition to functioning in PGCs and testis, SetDB1 has been shown to regulate the expression of host genes, several TEs and associated chimeric transcripts in mouse oocytes (Eymery et al., 2016 Kim et al., 2016). While mammalian oocytes express Piwi proteins and piRNAs, the mechanisms of H3K9me3 establishment at different genomic targets in this system has not been comprehensively characterized.

En Drosophila, H3K9me3-mediated silencing is best understood in the ovary. Of the two main H3K9 HMTs that induce trimethylation in Drosophila, SetDB1/Eggless is required throughout the entire course of oogenesis, from germ cell differentiation to egg maturation, as well as for the somatic follicular cells that support the ovary, while Su(var)3-9 is not essential for fertility (Clough et al., 2007 Clough et al., 2014). Functionally, SetDB1/Eggless acts at multiple levels, including the control of TE expression by the piRNA pathway and repression of lineage-specific genes. Unlike Su(var)3-9 (Sienski et al., 2015), SetDB1 is involved in piRNA-dependent TE repression not only by being part of the piRNA-mediated transcriptional silencing pathways but also by regulating piRNA production. En D. melanogaster, primary piRNAs are generated from discrete genomic loci termed piRNA clusters (Brennecke et al., 2007). Most piRNA clusters in germ cells are characterized by a unique epigenetic landscape consisting of H3K9me3, the germline-specific HP1 variant Rhino/HP1d (a Drosophila-specific HP1 homolog) and several other factors that are required for their transcription and piRNA production (Andersen et al., 2017 Chen et al., 2016 Mohn et al., 2014 Rangan et al., 2011). In the nucleus, piRNA-loaded Piwi proteins recognize nascent transcripts of active TEs and induce local H3K9 trimethylation and co-transactional silencing (Klenov et al., 2011 LeThomas et al., 2013 Rozhkov et al., 2013 Sienski et al., 2012). SetDB1/Eggless depletion leads to H3K9me3 loss from TE targets and loss of piRNAs (Rangan et al., 2011). While loss of H3K9me3 at TE targets is probably partly due to loss of piRNA guides, several lines of evidence show that SetDB1 is also directly involved in H3K9me3 deposition downstream of the piRNA/Piwi complex. Piwi is not known to interact with any HMTs. However, two of Piwi's interacting partners, Panoramix (Panx)/Silencio and the SUMO E3 ligase Su(var)2-10, induce H3K9me3 deposition when recruited to chromatin in a process that is dependent on SetDB1 and its conserved co-factor Wde (ATF7IP/MCAF1 in mammals) (Ninova et al., 2019a preprint Sienski et al., 2015 Yu et al., 2015). Furthermore, SetDB1/Wde recruitment requires SUMO and the SUMO E3 ligase activity of Su(var)2-10 (Ninova et al., 2019a preprint). Collectively, these findings lead to a model in which Su(var)2-10 interacts with Piwi/Arx/Panx and acts to induce SUMO-dependent recruitment of Wde/SetDB1, which in turn deposits H3K9me3 at piRNA targets (Ninova et al., 2019a preprint) (Fig. 3B).

As in mammalian systems, epigenetic silencing of TEs affects the host transcriptome of Drosophila germ cells. For example, H3K9me3 loss is associated with activation of cryptic promoters within TE sequences, the appearance of chimeric or truncated transcripts and mis-regulation of canonical gene isoforms (Ninova et al., 2019b). Finally, even though the piRNA pathway is the only known mode of H3K9me3 deposition in Drosophila ovaries, a recent ChIP-seq study revealed a number of discrete H3K9me3 peaks at euchromatic genes that are conserved, show no evidence of TE insertions or targeting by piRNAs, and do not lose H3K9me3 upon Piwi depletion, i.e. are likely piRNA-independent (Ninova et al., 2019b). About 20% of these H3K9me3-marked genes become upregulated upon knockdown of the SUMO ligase Su(var)2-10, suggesting that they are regulated in a SUMO-dependent manner and possibly through SetDB1. Notably, this set primarily includes genes characteristic of other tissues such as the testis or the central nervous system (Ninova et al., 2019b). It was recently demonstrated that the H3K9me3 effectors SetDB1, Wde and HP1a are required to confer transcriptional repression of male germline fate in the ovary (Smolko et al., 2018). Among other targets, SetDB1/Wde-dependent H3K9me3 suppresses the male-specific isoform of the master regulator of sex identity phf7 (Smolko et al., 2018). Thus, in addition to its role in constitutive heterochromatin and TE repression, epigenetic regulation by H3K9me3 in the female germline appears to grant tissue-specific gene repression to secure female germ cell identity (Ninova et al., 2019b Smolko et al., 2018). The presence of discrete and TE-independent H3K9me3 peaks in otherwise euchromatic regions in female germ cells suggests the existence of a piRNA-independent mode of SetDB1 recruitment, and a regulatory mechanism that restricts H3K9me3 spreading in this genomic context.

Interestingly, a recent study in Drosophila showed a role for the conserved factor L(3)mbt in lineage-inappropriate gene repression in the female germline and soma (Coux et al., 2018). The mammalian L3MBTL2 homolog (involved in PRC1.6) is also required for the repression of germline-specific genes in mouse ESCs (Maeda et al., 2013 Stielow et al., 2018 Tatsumi et al., 2018). In the future, it would be worthwhile comparing targets of SetDB1/H3K9me3 and other silencing complexes, and investigating any potential cooperation between them.


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Zinc finger proteins orchestrate active gene silencing during embryonic stem cell differentiation. / Kwak, Sojung Kim, Tae Wan Kang, Byung Hee Kim, Jae Hwan Lee, Jang Seok Lee, Han Teo Hwang, In Young Shin, Jihoon Lee, Jong Hyuk Cho, Eun Jung Youn, Hong Duk .

In: Nucleic Acids Research , Vol. 46, No. 13, 27.07.2018, p. 6592-6607.

Resultado de la investigación: Contribución a la revista ›Artículo› revisión por pares

T1 - Zinc finger proteins orchestrate active gene silencing during embryonic stem cell differentiation

N1 - Publisher Copyright: © The Author(s) 2018. Published by Oxford University Press on behalf of Nucleic Acids Research.

N2 - Transcription factors and chromatin remodeling proteins control the transcriptional variability for ESC lineage commitment. During ESC differentiation, chromatin modifiers are recruited to the regulatory regions by transcription factors, thereby activating the lineage-specific genes or silencing the transcription of active ESC genes. However, the underlying mechanisms that link transcription factors to exit from pluripotency are yet to be identified. In this study, we show that the Ctbp2-interacting zinc finger proteins, Zfp217 and Zfp516, function as linkers for the chromatin regulators during ESC differentiation. CRISPR-Cas9-mediated knock-outs of both Zfp217 and Zfp516 in ESCs prevent the exit from pluripotency. Both zinc finger proteins regulate the Ctbp2-mediated recruitment of the NuRD complex and polycomb repressive complex 2 (PRC2) to active ESC genes, subsequently switching the H3K27ac to H3K27me3 during ESC differentiation for active gene silencing. We therefore suggest that some zinc finger proteins orchestrate to control the concise epigenetic states on active ESC genes during differentiation, resulting in natural lineage commitment.

AB - Transcription factors and chromatin remodeling proteins control the transcriptional variability for ESC lineage commitment. During ESC differentiation, chromatin modifiers are recruited to the regulatory regions by transcription factors, thereby activating the lineage-specific genes or silencing the transcription of active ESC genes. However, the underlying mechanisms that link transcription factors to exit from pluripotency are yet to be identified. In this study, we show that the Ctbp2-interacting zinc finger proteins, Zfp217 and Zfp516, function as linkers for the chromatin regulators during ESC differentiation. CRISPR-Cas9-mediated knock-outs of both Zfp217 and Zfp516 in ESCs prevent the exit from pluripotency. Both zinc finger proteins regulate the Ctbp2-mediated recruitment of the NuRD complex and polycomb repressive complex 2 (PRC2) to active ESC genes, subsequently switching the H3K27ac to H3K27me3 during ESC differentiation for active gene silencing. We therefore suggest that some zinc finger proteins orchestrate to control the concise epigenetic states on active ESC genes during differentiation, resulting in natural lineage commitment.


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Keywords : Hypoxia-inducible factor-1α, WNT7a, myogenesis, hypertrophy, Prolyl-hydroxylases, FG-4592

Citation: Cirillo F, Resmini G, Angelino E, Ferrara M, Tarantino A, Piccoli M, Rota P, Ghiroldi A, Monasky MM, Ciconte G, Pappone C, Graziani A and Anastasia L (2020) HIF-1α Directly Controls WNT7A Expression During Myogenesis. Parte delantera. Cell Dev. Biol. 8:593508. doi: 10.3389/fcell.2020.593508

Received: 10 August 2020 Accepted: 20 October 2020
Published: 11 November 2020.

Susan Tsivitse Arthur, University of North Carolina at Charlotte, United States

Eoin P. Cummins, University College Dublin, Ireland
Sivareddy Kotla, University of Texas MD Anderson Cancer Center, United States
Colin E. Evans, Northwestern University, United States

Copyright © 2020 Cirillo, Resmini, Angelino, Ferrara, Tarantino, Piccoli, Rota, Ghiroldi, Monasky, Ciconte, Pappone, Graziani and Anastasia. Este es un artículo de acceso abierto distribuido bajo los términos de la Licencia de atribución Creative Commons (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No se permite ningún uso, distribución o reproducción que no cumpla con estos términos.


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Comentarios:

  1. Nisida

    Te pido disculpas, pero, en mi opinión, cometes un error. Escríbeme por PM, hablamos.

  2. Seif Al Din

    No veo el punto en eso.

  3. Taugore

    Cometes un error. Puedo defender la posición. Escríbeme en PM, discutiremos.



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