通过乳腺癌细胞系的染色质可及性分析识别特定谱系的表观遗传调控因子FOXA1和GRHL2

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乳腺癌 表观遗传学 染色质可及性 FOXA1 GRHL2 细胞系 异质性

通过乳腺癌细胞系的染色质可及性分析识别特定谱系的表观遗传调控因子FOXA1和GRHL2

背景介绍

乳腺癌是一种异质性很强的疾病，目前临床上依赖于基因表达模式、内在分子亚型和激素受体/人类表皮生长因子受体2(HER2)的表达进行分类。然而，已有研究表明乳腺肿瘤在基因表达之外还存在明显的异质性。例如，一些雌激素受体阳性(ER+)乳腺癌的ER响应元件可及性降低，可能导致预后不良。基于这些发现，识别表观遗传状态对于更全面地理解乳腺癌异质性显得尤为关键。

乳腺癌细胞系是研究乳腺癌的重要模型，通常根据内在亚型和/或受体状态进行分类。然而，这些细胞系所隐藏的转录组表观遗传异质性尚未完全探明。因此，为了更准确地模拟乳腺癌并阐明其关键调控机制，解析乳腺癌细胞系的表观遗传景观尤为重要。

研究来源

这项研究由Liying Yang, Kohei Kumegawa, Sumito Saeki, Tomoyoshi Nakadai和Reo Maruyama等人完成，隶属于日本东京癌症研究基金会。该论文发表在2024年的《Cancer Gene Therapy》期刊上。

研究流程

分析流程

研究中，首先对23种乳腺癌细胞系进行了全基因组染色质可及性分析。这些细胞系包括2种ER+/HER2-型、3种ER+/HER2+型、3种HER2+型和15种三阴性乳腺癌（TNBC）细胞系。通过染色质可及性分析将这些细胞系分为三组：受体阳性组（Group-P）、TNBC基础样组（Group-B）和TNBC间质样组（Group-M）。

使用Assay for Transposase-Accessible Chromatin sequencing（ATAC-seq）技术，研究者找到了140,246个可复现的顺式调控元件（CREs），其中很大一部分位于远端区域和内含子区域，而启动子元件仅占总CREs的21.7%，这与之前的研究结果一致。

接下来，通过核素周期性的片段模式和转录起始位点（TSS）富集得分的分析，研究者对这些细胞系进行了分类，并确认了三种染色质可及性组群：Group-P、Group-B和Group-M。

动机富集分析

为了了解这三个亚群之间的差异，研究者对所有细胞系的染色质可及区域中的转录因子（TF）结合动机进行了富集分析。结果显示，受体阳性组（Group-P）表现出FOXA1和GRHL2动机的共富集，而基础样组（Group-B）仅表现出GRHL2动机的富集，且Group-M没有任何动机富集。

基因本体分析

基因本体分析表明，Group-B和Group-P的特定可及区域与其独特的谱系特性相关。此外，基因本体分析还揭示了在不同组群之间存在特异的表观遗传景观。

敲低实验

为研究FOXA1和GRHL2在调控染色质可及性方面的作用，研究者进行了针对FOXA1和GRHL2的敲低实验，并对其进行了ATAC-seq分析。结果显示，FOXA1在Group-P中特异区域的可及性中起到维持作用，同时抑制Group-B细胞特异区域的可及性。相反，GRHL2在Group-B细胞中的作用是维持Group-P和Group-B共同可及区域的可及性。

研究结果

通过染色质可及性分析，研究者发现被测试的23种乳腺癌细胞系可以根据可及性模式被分为三大亚群。具体结果如下：

  • Group-P包含ER+和/或HER2+细胞系，如T47D、MCF7等。
  • Group-B主要由基础样TNBC细胞系组成，如HCC1937、MDA-MB-468等。
  • Group-M则包括间质样和间质干样细胞系，如BT549、MDA-MB-436等。

基于FOXA1和GRHL2动机的富集模式，Group-P和Group-M有显著差异。FOXA1在Group-P中特异性富集，而GRHL2在Group-B中富集。

进一步分析显示，Group-P的细胞系在FOXA1转录起始位点（TSS）及其上下游区域有相当的染色质可及性，暗示其存在增强子元件。而Group-B虽在FOXA1的TSS区域表现出中等可及性，但缺乏在Group-P中观察到的增强子区域的可及性。

通过敲低FOXA1和GRHL2，研究者发现FOXA1在Group-P细胞中维持特异CREs的可及性而抑制Group-B特异CREs的可及性；相反，GRHL2在Group-B细胞中保持Group-P/B共享CREs的可及性。RNA-seq分析显示，敲低FOXA1后，细胞周期相关基因在T47D细胞中下调，而敲低GRHL2则上调了与上皮-间质转化（EMT）相关的基因。

结论

研究结果表明，FOXA1和GRHL2在乳腺癌细胞系中保持其特异染色质可及性的过程中发挥了关键作用。FOXA1主要在Group-P细胞中调控，而GRHL2则在基础样和间质样亚群中发挥不同的作用。这些发现为理解乳腺癌表观遗传异质性及其潜在的调控机制提供了新的见解。

研究亮点

这项研究的亮点包括：

  1. 揭示了FOXA1在ER+乳腺癌细胞系中作为先导因子的重要作用。
  2. 确定了GRHL2在基础样TNBC中的重要作用以及其如何在不同亚群中保持表观遗传特性。
  3. 提供了关于乳腺癌细胞系中染色质可及性的详细分析结果，为未来的乳腺癌研究提供了重要的参考依据。
  4. 发现了FOXA1和GRHL2在调控乳腺癌细胞表观遗传特性方面的互补作用。

这项研究揭示了FOXA1和GRHL2在乳腺癌细胞系中维持染色质可及性和线粒特性的关键作用，提供了新的视角和潜在的治疗靶点，为进一步研究乳腺癌异质性的机制奠定了基础。