Транскрипционный фактор JARID2, который встречается во всех тканеспецифичных по ESC множествах, является регулятором гистон-метилтрансферазных комплексов и играет существенную роль в эмбриональном развитии, включая развитие сердца и печени, процесс слияния нервной трубки и кроветворение. В эмбриональных стволовых клетках он связывается с комплексом PRC2 и ингибирует триметилирование Lys-27 гистона H3 (H3K27me3) комплексом PRC2, тем самым играя ключевую роль в дифференцировке эмбриональных стволовых клеток и нормальном развитии.

Факторы SUZ12 и EZH2, которые также встречаются в тканеспецифичных по ESC множествах, являются компонентами комплекса PRC2 / EED-EZH2, который метилирует Lys-9 (H3K9me) и Lys-27 (H3K27me) гистона H3, что приводит к транскрипционной репрессии пораженного гена-мишени. EZH2 cпособен моно-, ди- и триметилировать Lys-27 гистона H3 с образованием H3K27me1, H3K27me2 и H3K27me3 соответственно. По сравнению с EZH1-содержащими комплексами, он более распространен в эмбриональных стволовых клетках и играет основную роль в образовании H3K27me3, который необходим для идентификации эмбриональных стволовых клеток и правильной дифференцировки.

Транскрипционный фактор KDM6B встречается только среди тканеспецифичных по взрослой ткани множеств. KDM6B - это гистоновая деметилаза, которая специфически деметилирует Lys-27 гистона Н3, тем самым играя центральную роль в гистоновом коде.

Напомним о существовании двухвалентных доменов, состоящих из областей триметилирования лизина 27 гистона H3 (H3K27me3) и триметилирования лизина 4 гистона H3 (H3K4me3) в ESС. Такие двухвалентные домены интересны тем, что метка H3K27me3 может помочь репрессировать регуляторные гены линии во время плюрипотентности, в то время как метка H3K4me3 может создать гены для активации после дифференцировки.

Регуляция экспрессии генов у эукариот очень сложна и часто происходит благодаря скоординированному действию множества факторов транскрипции. Появляющиеся данные указывают на возможность того, что подмножество таких цис-регуляторных элементов может принимать различные конформации, которые дополнительно определяют взаимодействия TФ-ДНК.

Среди прочих, можно отметить регулятор транскрипции NANOG, который участвует в пролиферации и самообновлении внутренней клеточной массы и эмбриональных стволовых клеток. Создает плюрипотентность на ESC и предотвращает их дифференцировку в направлении внезародышевой эндодермы и трофэктодермы. Действует как транскрипционный активатор или репрессор. Связывается с промотором POU5F1 / OCT4. Способен автоматически экспрессировать его экспрессию в дифференцирующихся клетках.

Заметим, что фактор транскрипции POU5F1 также является найденным. Он образует тримерный комплекс с SOX2 на ДНК и контролирует экспрессию ряда генов, участвующих в эмбриональном развитии таких, как YES1, FGF4, UTF1 и ZFP206. Критически важен для раннего эмбриогенеза и плюрипотентности эмбриональных стволовых клеток.

Таким образом, можно предположить, что квадруплексы, например, участвуют в настройке двухвалентных доменов посредством влияния на связывание транскрипционных факторов. И в целом, есть смысл более подробно изучить их возможную роль в регуляции дифференцировки, пролиферации и развитие клетки.

Можно также выделить ряд других транскрипционных факторов, кроме KDM6B, которые участвующих регуляции метилирования и ацетилирования гистонов. Это KDM4A, BRD4, ERG, RBBP5, TRIM24, PHF8 и HDAC2.

Заключение

Данную работу можно представить в виде шахматной партии. За каждым ходом обнаружения ассоциации шел ход ее проверки. Судейство было беспристрастным, но конечно, в победителях хотелось бы видеть положительный ответ на поставленный вопрос, который начинался со слов “Есть ли …”. Итак, задачей данного исследования было определить наличие связи G-квадруплексов с гистоновыми метками или опровергнуть его.

Анализ мотивов G-квадруплексных последовательностей методами машинного обучения показал, что мотивы, пришедшие из разных групп, пересекающихся с общим и тканеспецифическими множествами гистоновых меток, различаются сверточной нейронной сетью со значением точности в 0.75. Этот результат не мог быть конечным, так как на него влиял консенсус, присутствующих в последовательностях, поэтому были произведены следующие исследования.

Поиск ассоциаций в расположении между G-квадруплексными последовательностями и общим или тканеспецифическими множествами исследуемых гистоновых меток показал отсутствие связи, а также объяснил найденную ранее корреляцию между G-квадруплексами и этими гистоновыми метками. Причиной являлось их общее обогащение в промоторных регионах.

Исследование внутри промоторных участков изначально показало ярко выраженную связь G-квадруплексов и гистоновой метки H3K4me3, что позже было объяснено обогащением этой гистоновой метки в промоторах, имеющих высокий уровень GC контента. Однако сравнение результатов анализа для последовательностей без и с потерей структуры промоторных последовательностей показало, что этого объяснение недостаточно, так как ожидаемый уровень квадруплексов в зависимости от GC контента заметно меньше, чем наблюдается.

Результат поиска сайтов транскрипционных факторов, которые значительно обогащены в квадруплексных регионах, отнесенных к тому или иному множеству гистоновых меток, показал, в первую очередь, соответствие результатам хорошо изученных вопросов, касающихся квадруплексов, а также более узким и малочисленным исследованиям. Во-вторых, были найдены предпосылки для более подробного изучения их возможной роли в регуляции дифференцировки, пролиферации и развитие клетки посредством влияния на связывание транскрипционных факторов, осуществляя тем самым влияние на гистоновые метки.

В итоге, однозначного ответа на поставленный во главе работы вопрос получено не было. Но вышеперечисленные результаты позволили отсечь некоторые выдвинутые гипотезы, а также показали целесообразность дальнейших исследований этой темы. В особенности вызывает интерес вероятностное исследование наличия G-квадруплексов.

Это была лишь одна разыгранная партия, и завершилась она вничью. В дальнейшем мы постараемся достичь честной победы, неважно с какой стороны.

Список литературы

[1] Bang I. Untersuchungen ьber die Guanylsдure. Biochemische Zeitschrift. 1910; 26:293-311.

[2] Gellert M, Lipsett MN, Davies DR.. Helix formation by guanylic acid. Proc Natl Acad Sci USA, 1962; 48:2013-8.

[3] Sundquist W.I., Klug A. Telomeric DNA dimerizes by formation of guanine tetrads between hairpin loops. Nature, 1989; 342:825-829.

[4] Chantot, J., & Guschlbauer, W. Physicochemical properties of nucleosides 3. Gel formation by 8-bromoguanosine. FEBS Letter, 1969; 4, 173-176.

KЁ

onig,S.L.B., Evans,A.C. and Huppert,J.L. (2010) Seven essential

questions on G-quadruplex. Biomol. Concepts,1, 197-213.

9. Maizels,N. and Gray,L.T. (2013) The G4 genome. PLoS Genet.,9,

e1003468.

[5] KЁonig,S.L.B., Evans,A.C. and Huppert,J.L. Seven essential questions on G-quadruplex. Biomol. Concepts, 2010; 1, 197-213.9.

[6] Maizels,N. and Gray,L.T. The G4 genome. PLoS Genet, 2013; 9, e1003468.

[7] Burge S, Parkinson GN, Hazel P, Todd AK, Neidle S. Quadruplex DNA: sequence, topology and structure. Nucleic Acids Res. 2006; 34:5402-5415.

[8] Biffi,G., Tannahill,D., McCafferty,J. and Balasubramanian,S. Quantitative visualization of DNA G-quadruplex structures inhuman cells. Nat. Chem., 2013; 5, 182-186.

[9] Henderson A., Wu Y., Huang Y.C., Chavez E.A., Platt J., Johnson F.B., Brosh R.M. Jr, Sen D., Lansdorp P.M. Detection of G-quadruplex DNA in mammalian cells. Nucleic Acids Res. 2014; 42:860-869.

[10] Chen S.B., Hu M.H., Liu G.C., Wang J., Ou T.M., Gu L.Q., Huang Z.S., Tan J.H. Visualization of NRAS RNA G-quadruplex structures in cells with an engineered fluorogenic hybridization probe. J. Am. Chem. Soc. 2016; 138:10382-10385.

[11] Laguerre A., Hukezalie K., Winckler P., Katranji F., Chanteloup G., Pirrotta M., Perrier-Cornet J.M., Wong J.M., Monchaud D. Visualization of RNA-quadruplexes in live cells. J. Am. Chem. Soc. 2015; 137:8521-8525.

[12] Liu H.H., Zheng K.W., He Y.D., Chen Q., Hao Y.H., Tan Z. RNA G-quadruplex formation in defined sequence in living cells detected by bimolecular fluorescence complementation. Chem. Sci. 2016; 7:4573-4581.

[13] Laguerre A., Wong J.M.Y., Monchaud D. Direct visualization of both DNA and RNA quadruplexes in human cells via an uncommon spectroscopic method. Sci. Rep. 2016; 6:32141-32150.

[14] John A. Capra ,Katrin Paeschke ,Mona Singh ,Virginia A. Zakian G-Quadruplex DNA Sequences Are Evolutionarily Conserved and Associated with Distinct Genomic Features in Saccharomyces cerevisiae. PlosCompBiol., 2010; Volume 6, Issue 7

[15] Huppert,J.L. and Balasubramanian,S. Prevalence ofquadruplexes in the human genome. Nucleic Acids Res., 2015; 33:2908-2916.

[16] Yu HQ, Miyoshi D, Sugimoto N, Characterization of structure and stability of long telomeric DNA G-quadruplexes. J Am Chem Soc, 2006; 128: 15461-15468.

[17] Parkinson GN, Lee MP, Neidle S, Crystal structure of parallel quadruplexes from human telomeric DNA. Nature, 2002; 417: 876-880.

[18] Besnard E, Babled A, Lapasset L, Milhavet O, Parrinello H, et al. Unraveling cell type-specific and reprogrammable human replication origin signatures associated with G-quadruplex consensus motifs. Nat Struct Mol Biol, 2012; 19: 837-844.

[19] Eddy J, Maizels N, Gene function correlates with potential for G4 DNA formation in the human genome. Nucleic Acids Res, 2006; 34: 3887-3896.

[20] Huppert, J.L.; Balasubramanian, S. G-Quadruplexes in Promoters Throughout the Human Genome. Nucleic Acids Res. 2006, 35, 406-413.

[21] Balasubramanian S, Hurley LH, Neidle S, Targeting G-quadruplexes in gene promoters: a novel anticancer strategy? Nat Rev Drug Discov, 2011; 10: 261-275.

[22] Patel, D.J.; Phan, A.T.; Kuryavyi, V. Human Telomere, Oncogenic Promoter and 5?-UTR G-Quadruplexes: Diverse Higher Order DNA and RNA Targets for Cancer Therapeutics. Nucleic Acids Res. 2007, 35, 7429-7455.

[23] Neidle, S. The Structures of Quadruplex Nucleic Acids and their Drug Complexes. Curr. Opin. Struct. Biol.2009, 19, 239-250.

[24] Shioda, N.; Yabuki, Y.; Yamaguchi, K.; Onozato, M.; Li, Y.; Kurosawa, K.; Tanabe, H.; Okamoto, N.; Era, T.; Sugiyama, H.; et al. Targeting G-Quadruplex DNA as Cognitive Function Therapy for ATR-X Syndrome. Nat. Med. 2018, 24, 802-813.

[25] Che, T.; Wang, Y.; Huang, Z.; Tan, J.; Huang, Z.; Chen, S. Natural Alkaloids and Heterocycles as G-Quadruplex Ligands and Potential Anticancer Agents. Molecules 2018, 23, 493.

[26] Tian, T.; Chen, Y.; Wang, S.; Zhou, X. G-Quadruplex: A Regulator of Gene Expression and its Chemical Targeting. Chem 2018, 4, 1314-1344.

[27] Brooks, T.A.; Kendrick, S.; Hurley, L. Making Sense of G-quadruplex and i-motif Functions in Oncogene Promoters. FEBS J. 2010, 277, 3459-3469.

[28] Asamitsu, S.; Bando, T.; Sugiyama, H. Ligand Design to Acquire Specificity to Intended G-quadruplex Structures. Chem. Eur. J. 2019, 25, 417-430.

[29] Nakamura, T.; Okabe, S.; Yoshida, H.; Iida, K.; Ma, Y.; Sasaki, S.; Yamori, T.; Shin-ya, K.; Nakano, I.; Nagasawa, K.; et al. Targeting Glioma Stem Cells in Vivo by a G-Quadruplex-Stabilizing Synthetic Macrocyclic Hexaoxazole. Sci. Rep. 2017, 7, 3605.

[30] Muoio, D.; Berardinelli, F.; Leone, S.; Coluzzi, E.; di Masi, A.; Doria, F.; Freccero, M.; Sgura, A.; Folini, M.; Antoccia, A. Naphthalene diimide-derivatives G-quadruplex Ligands Induce Cell Proliferation Inhibition, Mild Telomeric Dysfunction and Cell Cycle Perturbation in U251MG Glioma Cells. FEBS J. 2018, 285, 3769-3785.

[31] Biffi G, Tannahill D, Miller J, Howat WJ, Balasubramanian S, Elevated Levels of G-Quadruplex Formation in Human Stomach and Liver Cancer

Tissues. PLoS ONE 2014; 9(7): e102711.

[32] Marchetti, C. et al. Targeting multiple effector pathways in pancreatic ductal adenocarcinoma with a G-quadruplex-binding small molecule. J. Med. Chem. 2018, 61, 2500-2517

[33] Mishra, S.K. et al. G4IPDB: a database for Gquadruplex structure forming nucleic acid

interacting proteins. Sci. Rep. 2016, 6, 38144

[34] Gray, L.T. et al. G quadruplexes are genomewide targets of transcriptional helicases

XPB and XPD. Nat. Chem. Biol. 2014, 10, 313-318

[36] Raiber, E.A. et al. A non-canonical DNA structure is a binding motif for the transcription

factor SP1 in vitro. Nucleic Acids Res. 2012, 40, 1499-1508

[37] Thakur, R.K. et al. Metastases suppressor NM23-H2 interaction with G-quadruplex DNA

within c-MYC promoter nuclease hypersensitive element induces c-MYC expression. Nucleic Acids

Res. 2009, 37, 172-183

[38] Cree, S.L. et al. DNA G-quadruplexes show strong interaction with DNA methyltransferases in vitro. FEBS Lett. 2016, 590, 2870-2883

[39] Mao, S.Q. et al. DNA G-quadruplex structures mold the DNA methylome. Nat. Struct.

Mol. Biol. 2018, 25, 951-957

[40] HaЁnsel-Hertsch, R. et al. Genome-wide mapping of endogenous G-quadruplex DNA

structures by chromatin immunoprecipitation and high-throughput sequencing. Nat. Protoc. 2018, 13, 551-564

[41] Huppert,J.L. and Balasubramanian,S. Prevalence of quadruplexes in the human genome. Nucleic Acids Res., 2005, 33, 2908-2916.

[42] Kudlicki,A.S. G-Quadruplexes involving both strands of genomic DNA are highly abundant and colocalize with functional sites in the human genome. PLoS One, 2016, 11, e0146174.

[43] Kikin,O., D'Antonio,L. and Bagga,P.S. QGRS Mapper: a web-based server for predicting G-quadruplexes in nucleotide sequences. Nucleic Acids Res., 2006, 34, W676-W682.

[44] Hon,J., Martґэnek,T., Zendulka,J. and Lexa,M. pqsfinder: an exhaustive and imperfection-tolerant search tool for potential quadruplex-forming sequences in R. Bioinformatics, 2017, 33, 3373-3379.

[45] Sahakyan,A., Chambers,V.S., Marsico,G., Santner,T., Di Antonio,M. and Balasubramanian,S. Machine learning model for sequence-driven DNA G-quadruplex formation. Sci. Rep., 2017, 7, 14535.

[46] Chambers, V. S. et al. High-throughput sequencing of DNA G-quadruplex structures in the human genome. Nat. Biotech. 2015; 33: 877-881.

[47] Shao, Z., Zhang, Y., Yuan, G. et al. MAnorm: a robust model for quantitative comparison of ChIP-Seq data sets. Genome Biol 2012, 13.

[48] Babak Alipanahi, Andrew Delong, Matthew T Weirauch & Brendan J Frey. Predicting the sequence specificities of DNA-and RNA-binding proteins by deep learning. Nature Biotechnology. 2015; 33: 831-838.

[49] Zhou J, Troyanskaya OG. Predicting effects of noncoding variants with deep learning-based sequence model. Nature Methods. 2015; 12: 931-934.

[50] Genta Aoki Yasubumi Sakakibara. Convolutional neural networks for classification of alignments of non-coding RNA sequences. Bioinformatics, 2018; 34:237-244.

[51] Mikkelsen, T., Ku, M., Jaffe, D. et al. Genome-wide maps of chromatin state in pluripotent and lineage-committed cells. Nature, 2007, 448, 553-560.

[52] Pankaj Kumar, Vinod Kumar Yadav, et al. Zinc-finger transcription factors are associated with guanine quadruplex motifs in human, chimpanzee, mouse and rat promoters genome-wide. Nucleic Acids Res. 2011; 39(18): 8005-8016.

Приложение

Рисунок 11.1: Результат пермутационного теста для тканеспецифичного множества H3K9ac по взрослой ткани и G4.

Рисунок 11.2: Результат пермутационного тест для тканеспецифичного множества H3K9ac по ESC ткани и G4.

Рисунок 11.3: Результат пермутационного тест для общего множества H3K9ac и G4.

Рисунок 11.4: Результат пермутационного теста для тканеспецифичного множества H3K27ac по взрослой ткани и G4.

Рисунок 11.5: Результат пермутационного тест для тканеспецифичного множества H3K27ac по ESC ткани и G4.

Рисунок 11.6: Результат пермутационного тест для общего множества H3K27ac и G4.

Рисунок 11.7: Результат пермутационного тест для тканеспецифичного множества H3K9ac по взрослой ткани и TSS.

Рисунок 11.8: Результат пермутационного тест для тканеспецифичного множества H3K9ac по ESC ткани и TSS.

Рисунок 11.9: Результат пермутационного тест для общего множества H3K9ac и TSS.

Рисунок 11.10: Результат пермутационного тест для тканеспецифичного множества H3K27ac по взрослой ткани и TSS

Рисунок 11.11: Результат пермутационного тест для тканеспецифичного множества H3K27ac по ESC ткани и TSS.

Рисунок 11.12: Результат пермутационного тест для общего множества H3K27ac и TSS.

Размещено на Allbest.ru