染色质重塑因子Ino80调控RNA聚合酶II暂停位点的决定

The chromatin remodeler Ino80 mediates RNAPII pausing site determination

作者信息Youngseo Cheon, Sungwook Han, Taemook Kim, Daehee Hwang, Daeyoup Lee
PMID34663418
发布时间2021-10-18
DOI10.1186/s13059-021-02500-1

实验完整度

高

包含PRO-seq、PRO-cap、Western blot、siRNA敲低、ChIP-seq和MNase-seq等多层级实验,并在酿酒酵母和小鼠胚胎干细胞中进行了功能验证。

主要模型

酿酒酵母Ino80p-AID细胞 小鼠胚胎干细胞E14Tg2a 粟酒裂殖酵母ED665

重点核对

Ino80p敲低条件:0.5 mM auxin处理3小时 对照条件:未添加auxin的乙醇处理 PRO-seq实验使用2-Biotin run-on siRNA敲低:siINO80和siEGFP(50 nM) 数据分析:暂停指数(PI)计算和Fisher精确检验

摘要

启动子近端RNA聚合酶II(RNAPII)的暂停是基因表达精确调控的关键步骤。尽管启动子近端暂停与核小体之间关系密切,但染色质重塑因子调控这一步骤的作用在很大程度上仍然难以捉摸。在这里,我们通过PRO-seq实验报道了酿酒酵母中转录起始位点下游高度集中的RNAPII富集。这种RNAPII的非均匀分布与粟酒裂殖酵母和后生动物的启动子近端暂停既有相似之处也有不同之处。有趣的是,我们发现Ino80p敲低导致一部分基因的启动子近端RNAPII显著向上游转移,将RNAPII从主要暂停位点转移到替代暂停位点。RNAPII的正确定位在很大程度上依赖于核小体环境。我们发现替代暂停位点与+1核小体密切相关,并且这些基因主要暂停位点周围的核小体结构高度相位化。此外,Ino80p敲低导致+1核小体的模糊性增加和稳定性降低。并且,INO80的缺失也导致小鼠胚胎干细胞中启动子近端RNAPII向替代暂停位点转移。基于我们的综合结果,我们假设高度保守的染色质重塑因子Ino80p在从芽殖酵母到小鼠的各种生物体的早期转录延伸过程中建立完整的RNAPII暂停中至关重要。

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
染色质重塑因子Ino80p是否以及如何调控RNA聚合酶II在启动子近端的暂停位点确定?
核心机制
Ino80p通过调节+1核小体的定位和稳定性来确立RNAPII的主要暂停位点,其缺失导致RNAPII向替代暂停位点转移。
主要证据
在酿酒酵母中使用PRO-seq显示Ino80p敲低导致P1信号减弱、P2信号增强,并伴随+1核小体模糊性增加;在小鼠胚胎干细胞中siINO80也导致暂停位点向+1核小体方向转移。
研究意义
该研究揭示了高度保守的染色质重塑复合物INO80在早期转录延伸中调控RNAPII暂停位点,为理解染色质重塑与转录暂停之间的联系提供了证据。

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

检测酿酒酵母中全基因组RNAPII分布

验证酿酒酵母中是否存在启动子近端RNAPII暂停样分布

在Ino80p-AID细胞(未加auxin处理)及野生型BY4741细胞中进行PRO-seq实验,并与已发表的PRO-seq数据进行比较。

2

评估Ino80p敲低对RNAPII暂停的影响

确定Ino80p是否影响RNAPII暂停位点的位置

利用AID系统对Ino80p进行条件敲低(auxin处理),并进行PRO-seq分析,鉴定显著变化的暂停峰。

3

分析暂停位点与核小体结构的关系

探究Ino80p对RNAPII暂停位点的调控是否依赖于核小体环境

使用已有的MNase-seq数据,分析主要暂停位点(P1)和替代暂停位点(P2)周围的核小体分布,并比较Ino80p敲低前后核小体定位的变化。

4

验证Ino80复合物其他亚基的作用

确认Ino80复合物的染色质重塑活性对暂停位点决定的重要性

在arp5Δ细胞(缺失Ino80复合物关键亚基)中进行PRO-seq,观察RNAPII暂停位点是否发生类似Ino80p敲低的变化。

5

在小鼠胚胎干细胞中验证INO80功能

检验INO80在哺乳动物中是否同样调控RNAPII暂停位点

在mESC中用siRNA敲低INO80,进行PRO-seq分析,鉴定暂停位点变化,并分析相关转录因子和基序。

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
生长素(吲哚乙酸)SigmaI2886
格拉斯哥极限必需培养基Gibco--
敲除血清替代物Gibco10828-028
非必需氨基酸Gibco11140-050
β-巯基乙醇Gibco21985-023
胎牛血清HycloneSH30917.03
抗生素-抗真菌剂Thermo15140122
白血病抑制因子MilliporeESG1106
胰蛋白酶-EDTAGibco25300-054
磷酸盐缓冲液WelgeneLB004-02
DharmaFECT I 转染试剂DharmaconT-2001-03
Opti-MEM 培养基Gibco31985062
抗FLAG M2抗体SigmaA8592
抗β-肌动蛋白抗体Santa Cruzsc-47778
抗INO80抗体Abcamab118787
抗微管蛋白抗体Cell Signaling2144S
十二烷基肌氨酸钠SigmaL5777
生物素-11-UTPPerkinElmerNEL543001EA
生物素-11-CTPPerkinElmerNEL542001EA
三磷酸腺苷Roche11140965001
三磷酸鸟苷Roche11140957001
TRIzol LS 试剂Ambion10296028
SuperScript IV 逆转录酶Invitrogen18091050
脱氧核苷三磷酸Thermo ScientificR1121
Phusion 高保真DNA聚合酶Thermo ScientificF530L
琼脂糖凝胶提取试剂盒Zymo ResearchD4007
Illumina HiSeq X Ten 测序仪Illumina--
HiSeq 4000 测序仪Illumina--
NovaSeq 6000 测序仪Illumina--

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
酵母培养和Ino80p敲低
Ino80p-AID菌株,0.5 mM auxin处理3小时,乙醇对照
阅读提示:见Methods 'Yeast strains and cell culture' 和附图S7
PRO-seq实验
Biotin-11-UTP和CTP浓度25 μM,ATP和GTP浓度125 μM,孵育温度和时间(酵母30°C 5分钟,mESC 37°C 5分钟)
阅读提示:见Methods 'PRO-seq and PRO-cap library preparation'
mESC培养和siRNA敲低
E14Tg2a mESC,siRNA浓度50 nM,DharmaFECT I转染,48小时收获
阅读提示:见Methods 'mESC culture' 和 'RNA interference'
数据分析
暂停指数(PI)计算方式,Fisher精确检验和Bonferroni校正,P1和P2定义
阅读提示:见Methods 'Sequence alignment and data processing' 和 'Identification of increasing peaks'