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Oct 22, 2023

Sequência de DNA e modificadores de cromatina cooperam para conferir biestabilidade epigenética em regiões de controle de impressão

Nature Genetics volume 54,

Nature Genetics volume 54, páginas 1702–1710 (2022) Cite este artigo

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O imprinting genômico é regulado pela metilação do DNA específica dos pais das regiões de controle de imprinting (ICRs). Apesar de uma sequência de DNA idêntica, os ICRs podem existir em dois estados epigenéticos distintos que são memorizados ao longo de divisões celulares ilimitadas e reiniciados durante a formação da linhagem germinativa. Aqui, estudamos sistematicamente os determinantes genéticos e epigenéticos dessa biestabilidade epigenética. Pela integração iterativa de ICRs e sequências de DNA relacionadas a uma localização ectópica no genoma do camundongo, primeiro identificamos as características da sequência de DNA necessárias para a manutenção dos estados epigenéticos em células-tronco embrionárias. As propriedades reguladoras autônomas dos ICRs nos permitiram ainda criar repórteres sensíveis à metilação do DNA e rastrear componentes-chave envolvidos na regulação de sua memória epigenética. Além de DNMT1, UHRF1 e ZFP57, identificamos fatores que impedem a mudança de estado metilado para não metilado e mostramos que dois desses candidatos, ATF7IP e ZMYM2, são importantes para a estabilidade do DNA e metilação de H3K9 em ICRs em células-tronco embrionárias.

A regulação epigenética da atividade gênica depende de múltiplas camadas de modificações da cromatina que são mantidas durante a replicação do DNA1,2. Por definição, esses mecanismos epigenéticos atuam independentemente da sequência de DNA nos sítios genômicos que ocupam. No entanto, vários estudos têm destacado uma contribuição da sequência de DNA para a regulação e manutenção das modificações da cromatina, impedindo uma distinção clara entre controle epigenético e genético da atividade gênica3,4,5,6,7,8. O imprinting genômico é um fenômeno epigenético, onde as marcas de metilação do DNA nos ICRs materno ou paterno ditam a atividade parental específica dos transcritos em cis9,10,11. Os ICRs herdam marcas de metilação do DNA específicas dos pais do oócito ou do esperma, que são então propagadas em todos os tecidos somáticos da próxima geração9. A herança de estados epigenéticos diferenciais nos cromossomos parentais, apesar da sequência de DNA idêntica, localização cromossômica idêntica e exposição aos mesmos fatores regulatórios no núcleo, tornam os ICRs um ótimo modelo para estudar a contribuição individual da sequência de DNA e modificações da cromatina para a memória epigenética.

Vários fatores e mecanismos foram identificados que regulam a manutenção da metilação do DNA nos ICRs. Uma vez depositadas as marcas de metilação na linhagem germinativa12, a metiltransferase de manutenção DNMT1 e sua proteína acessória UHRF1 são responsáveis ​​pela manutenção da metilação durante a replicação do DNA13. Além disso, vários fatores foram identificados para regular H3K9me3 nos ICRs metilados do DNA, incluindo SETDB1, KAP1 e G9A14,15,16. Importante. o fator de dedo de zinco KRAB ZFP57 se liga à sequência de DNA hexanucleotídica metilada TGCmCGC e recruta KAP1 e outros fatores associados para estabelecer um feedback entre a metilação do DNA e H3K9me3 em ICRs16,17. De fato, a ligação de ZFP57 e o recrutamento de KAP1 são etapas cruciais na regulação dos imprints, já que o nocaute (KO) de Zfp57 em camundongos resulta na perda de quase todos os imprints e letalidade embrionária18,19,20, e o ZFP57 é necessário para a manutenção da metilação do DNA e H3K9me3 em ICRs em sistemas celulares16,18,21.

Embora os fatores que controlam a metilação do DNA e das histonas nos ICRs tenham sido amplamente investigados, as propriedades da sequência de DNA dos ICRs não foram exploradas em detalhes. Além disso, também não se sabe se atores-chave adicionais contribuem para a manutenção epigenética nos ICRs. Pela integração iterativa de sequências de DNA ICR ao mesmo sítio genômico em células-tronco embrionárias de camundongos (mESCs), mostramos que ICRs são elementos genéticos autônomos que podem recapitular os estados epigenéticos observados nos locais endógenos. Usando essa configuração, mostramos que, ao predefinir a metilação do DNA, podemos estabelecer dois estados epigenéticos opostos que são fielmente propagados pelo ICR ectópico. Este interruptor dependente da metilação do DNA é exclusivo dos ICRs. As integrações sistemáticas de variantes e ICRs sintéticos nos permitiram identificar os requisitos de sequência que são necessários e suficientes para esse comportamento do tipo switch. Além disso, usando os ICRs ectópicos como repórteres sensíveis à metilação do DNA em telas genéticas de perda de função, confirmamos DNMT1, UHRF1 e ZFP57 como os principais reguladores epigenéticos do imprinting genômico. Além disso, identificamos ATF7IP e ZMYM2 como fatores envolvidos na regulação da manutenção de estados epigenéticos em ICRs.