HUSH介导的无内含子移动元件沉默实现基因组监视

Genome surveillance by HUSH-mediated silencing of intronless mobile elements

作者信息Marta Seczynska, Stuart Bloor, Sergio Martinez Cuesta, Paul J Lehner
PMID34794168
期刊Nature
发布时间2022-01
DOI10.1038/s41586-021-04228-1

实验完整度

包含体外细胞模型、转基因报告系统、ChIP-seq、RIP-seq等多种独立证据层级,并进行功能验证和机制研究。

主要模型

HeLa细胞 HEK 293T细胞 Jurkat细胞 K562细胞

重点核对

L1报告基因的构建及表达检测(流式细胞术) HUSH亚基敲除(TASOR、MPP8、periphilin)及功能验证 H3K9me3和RNA Pol II的ChIP-qPCR分析 Periphilin RNA免疫沉淀(RIP)及测序分析 内含子插入或突变对HUSH抑制的影响

摘要

所有生命形式都保护其基因组免受DNA入侵。真核细胞识别外来DNA并通过抑制性染色质修饰限制其转录。人沉默枢纽(HUSH)复合物通过组蛋白H3第9位赖氨酸三甲基化(H3K9me3)转录抑制长散在核元件-1反转录转座子(L1s)和逆转录病毒1-3。HUSH如何识别并启动这些入侵遗传元件的沉默尚不清楚。在这里我们表明,HUSH能够识别并转录抑制广泛的长、无内含子转基因。内含子插入HUSH抑制的转基因中可抵消抑制,即使在没有内含子剪接的情况下也是如此。HUSH结合靶基因座的转录本,早于并独立于H3K9me3沉积,且靶基因转录对HUSH介导的H3K9me3的起始和传播都是必需的。基因组数据揭示了HUSH如何结合并抑制通过细胞mRNA反转录转座产生的内源性无内含子基因亚群。因此,无内含子cDNA——逆转录的典型特征——提供了一种通用的方式来区分入侵的逆转录元件与宿主基因,并使HUSH能够保护基因组免受“非自身”DNA的侵害,尽管之前未暴露于入侵元件。我们的发现揭示了一种转录依赖性基因组监视系统的存在,并解释了它如何提供对新获得元件的即时保护,同时避免对宿主基因的不适当抑制。

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
HUSH复合物如何识别并沉默无内含子的外来DNA元件,同时避免抑制宿主基因?
核心机制
HUSH通过识别长而无内含子的转录本(逆转录产物的标志)来区分外来DNA与宿主基因,并通过periphilin结合RNA,招募SETDB1沉积H3K9me3,从而转录沉默靶位点。
主要证据
多种转基因报告系统(L1、ORF2、Cas9等)在HUSH敲除细胞中去抑制;ChIP-qPCR显示H3K9me3沉积依赖于转录;RIP-seq显示periphilin偏好结合转座子及无内含子基因转录本。
研究意义
揭示了HUSH作为先天免疫系统组成部分,通过识别无内含子cDNA这一分子模式,提供对新入侵元件的即时防御,同时避免误伤宿主基因,并解释了cDNA表达困难的现象。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

建立L1报告系统并验证HUSH依赖性抑制

验证L1序列可赋予HUSH介导的转录抑制,且独立于整合位点

构建携带L1 ORF和P2A-iRFP的慢病毒报告基因,转导HeLa细胞,通过流式细胞术检测iRFP表达;同时使用piggyBac转座子整合报告基因,并检测H3K9me3、RNA Pol II和mRNA水平。

2

识别HUSH识别靶标的序列特征

确定HUSH抑制转基因的长度和核苷酸组成要求

测试不同长度和序列组成的cDNA转基因(如GFP-ORF2、不同长度ORF1重复、Cas9等)对HUSH的敏感性,分析长度和A含量与抑制程度的相关性。

3

验证转录对HUSH沉默的必需性

证明转录起始是HUSH介导H3K9me3沉积和基因沉默的前提

比较有启动子与无启动子的L1报告基因,以及删除TAF7启动子的内源基因,检测H3K9me3水平;使用整合酶抑制剂处理未整合报告基因,验证转录在整合前即可触发沉默。

4

证明periphilin通过结合RNA识别靶标

验证HUSH组分periphilin特异性结合靶基因转录本,且不依赖H3K9me3

进行RNA免疫沉淀(RIP)实验,检测periphilin能否结合HUSH敏感报告基因的RNA,并在SETDB1敲除细胞中验证结合仍存在;通过RIP-seq分析periphilin在基因组上的结合特征。

5

检验内含子对HUSH抑制的保护作用

明确内含子是否以及如何保护转基因免受HUSH抑制

在报告基因中插入不同来源和长度的内含子(如HBB IVS2、EEF1A1等),或内含子剪接位点突变,检测报告基因表达和H3K9me3水平;通过Cre-loxP删除内含子验证其持续需求。

6

分析内源性无内含子基因的HUSH靶向

验证HUSH在基因组水平上靶向反转录衍生的无内含子基因

利用公开的ChIP-seq和RNA-seq数据,分析HUSH结合和H3K9me3在加工假基因、逆转录基因和内含子基因上的分布;通过periphilin RIP-seq分析其对内源性无内含子基因的结合。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
IMDM培养基----
胎牛血清----
青霉素/链霉素----
支原体检测试剂盒Lonza--
抗TASOR抗体AtlasHPA006735
抗MPP8抗体Proteintech16796-1-AP
抗periphilin抗体Sigma-AldrichHPA038902
抗MORC2抗体Bethyl LaboratoriesA300-149A
抗SETDB1抗体Proteintech11231-1-AP
大鼠抗HA标签抗体(3F10)Sigma-Aldrich11867423001
小鼠抗β-肌动蛋白过氧化物酶偶联物Sigma-AldrichA3854
小鼠抗p97抗体Abcamab11433
兔抗α-微管蛋白抗体(11H10)CST2125
过氧化物酶标记山羊抗小鼠IgG(H+L)Jackson ImmunoResearch115-035-146
过氧化物酶标记山羊抗兔IgG(H+L)Jackson ImmunoResearch111-035-144
过氧化物酶标记山羊抗大鼠IgG(H+L)Jackson ImmunoResearch112-035-143
小鼠抗HA标签Alexa Fluor 647偶联物Cell Signaling3444
兔抗H3K9me3抗体Abcamab8898
兔抗组蛋白H3抗体Abcamab1791
兔抗RNA聚合酶II抗体Bethyl LaboratoriesA304-405A
pSpCas9(BB)-2A-Puro质粒----
TransIT-HeLa Monster转染试剂Mirus--
TransIT-293T转染试剂Mirus--
拉替拉韦----
多西环素----
拉米夫定----
LSR Fortessa流式细胞仪BD--
FACSAria Fusion细胞分选仪BD--
PVDF膜Millipore--
ECL化学发光底物----
Supersignal West Pico化学发光底物Thermo Scientific--
West Dura化学发光底物Thermo Scientific--
单链供体寡核苷酸IDT--
Pierce Protein G磁珠Thermo Fisher--
Bioruptor超声破碎仪Diagenode Pico--
QuantStudio 6 Flex实时荧光定量PCR系统Thermo Fisher Scientific--
SYBR green PCR预混液Thermo Fisher Scientific--
NEBNext Ultra II DNA文库制备试剂盒Illumina--
NEBNext Multiplex Oligos for Illumina试剂盒IlluminaE7335S
Illumina NovaSeq测序平台Illumina--
Pierce抗HA磁珠Thermo Fisher--
TRIzol试剂----
RNeasy微型离心柱QIAGEN--
SuperScript III逆转录酶Thermo Fisher Scientific--
SMARTer链特异性总RNA测序试剂盒V3Takara Bio--
Illumina MiniSeq测序平台Illumina--
NorthernMax试剂盒Invitrogen--
Millennium RNA分子量标准Invitrogen--
BrightStar-Plus正电荷尼龙膜Invitrogen--
Stratalinker 1800紫外交联仪Stratagene--
iBright CL1000成像系统Invitrogen--
ULTRAhyb高灵敏度杂交缓冲液----
酪蛋白封闭缓冲液Sigma-Aldrich--
SuperSignal West化学发光底物Thermo Fisher--
DIG RNA标记混合物Roche--
RNeasy MinElute清洁试剂盒Qiagen--
RNeasy Plus Mini试剂盒Qiagen--

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
细胞培养
细胞系来源、培养基和添加剂、培养条件
阅读提示:Methods: Cell culture
L1报告基因构建和整合
报告基因结构(L1 ORF、iRFP标签、启动子)、整合方式(慢病毒或piggyBac)、MOI、转导或转染条件、筛选抗生素浓度
阅读提示:Methods: Lentiviral production and transduction; PiggyBac-mediated integration
HUSH敲除或敲低
sgRNA序列、转染方法、敲除效率验证
阅读提示:Methods: CRISPR–Cas9 mediated gene disruption
转录抑制检测
ChIP-qPCR抗体、引物、H3K9me3或Pol II检测;RT-qPCR引物和条件
阅读提示:Methods: Chromatin immunoprecipitation; RT–qPCR
RNA结合验证
RIP抗体、裂解条件、RNA提取和检测方法
阅读提示:Methods: Native RIP–qPCR; UV-crosslinked RIP-seq