Transkriptionsfaktor RBPJ / CSL: Ein genomweiter Blick auf die Transkriptionsregulation

Der Transkriptionsregulator RBPJ, auch bekannt als CSL („CBF-1, Suppressor of Hairless, Lag-2“, nach seinen Säugetier-, Drosophila- und Caenorhabditis elegans-Orthologen), ist ein hochkonserviertes DNA-bindendes Protein, das eine zentrale Rolle bei der Entscheidung des Zellschicksals in Metazoa spielt. RBPJ vermittelt kanonische Notch-Signalisierung (1). In Abwesenheit von aktivem Notch wird angenommen, dass RBPJ in erster Linie ein Transkriptionsrepressor ist, der in Komplexen mit Corepressoren existiert (2). Wenn RBPJ an die aktive intrazelluläre Domäne von Notch (NICD) gebunden ist, rekrutiert es einen Coaktivatorkomplex, einschließlich eines Mastermind-Homologen (MAML1-3 bei Säugetieren), und steuert ein komplexes Transkriptionsprogramm mit allgegenwärtigen phänotypischen Effekten. Dieses Programm wird während der Entwicklung und der adulten Gewebehomöostase verwendet und ist häufig bei Krebs fehlreguliert (3, 4). Im hämatopoetischen System kontrolliert Notch / RBPJ unter anderem die Bindung gemeinsamer lymphoider Vorläuferzellen an die T-Zell-Linie und die Expansion von B-Zellen der Randzone (5). Die aberrante Aktivierung des Transkriptionsprogramms Notch-RBPJ in T-Lineage-Zellen führt zu T-lymphoblastischer Leukämie (T-LL) und ist die häufigste genetische Veränderung bei dieser Malignität (6). Es ist seit einiger Zeit bekannt, dass das Epstein–Barr-Virus (EBV) -Onkoprotein EBNA2, das für die transformierende Aktivität von EBV essentiell ist, NICD nachahmt und RBPJ aktiviert (7, 8). EBV-induzierte Immortalisierung ist eine wichtige Ursache für B-Zell-Malignome wie Burkitt-Lymphom und einige Hodgkin-Lymphome sowie lymphoproliferative Erkrankungen bei immunsupprimierten Patienten (9, 10). Die Struktur von DNA-gebundenem RBPJ im Komplex mit NICD und einem Fragment von MAML1 wurde gelöst (11, 12). Der Mechanismus, durch den RBPJ in der Lage ist, verschiedene Transkriptionsprogramme in verschiedenen Zellen zu aktivieren, bleibt jedoch unklar. Wenn wir verstehen, wie RBPJ die Genexpressionsprogramme von T- und B-Zellen steuert, erhalten wir wertvolle Einblicke in die Bestimmung des physiologischen Zellschicksals und die neoplastische Transformation. Zwei Berichte in PNAS (13, 14) beleuchten die Funktionen von RBPJ auf genomischer Ebene.

Beide Gruppen (13, 14), die intensiv an diesen Projekten mitgearbeitet haben, verwendeten genomweite ChIP / Deep-Sequenzierung, um genomische Stellen zu identifizieren, die RBPJ unter verschiedenen Bedingungen binden, und um andere Transkriptionsfaktoren zu suchen, die gleichzeitig oder kompetitiv mit RBPJ binden. Langstrecken-Wechselwirkungen zwischen Chromatinstellen wurden unter Verwendung von Chromatin-Konformations-Capture gefolgt von tiefer Sequenzierung identifiziert.

In murinen und humanen T-LL-Zellen, Zhao et al. (13) berichteten, dass RBPJ bevorzugt an Promotorstellen bindet, aber der Mehrheit der direkten Notch-Zielgene fehlt promotorgebundenes Notch1 (d. H. NICD1) oder RBPJ. Die Transkriptionsregulation scheint hauptsächlich aus weitreichenden Wechselwirkungen an Enhancer-Stellen zu resultieren. Mutmaßliche Enhancer-Stellen wurden in der Nähe von Genen wie MYC, DTX1, IGF1R, IL7R und dem GIMAP-Cluster identifiziert. Interessant, ein signifikanter Anteil der genomischen Stellen gebunden RBPJ nur, auch in Gegenwart von NICD1. Dieser Befund könnte mehrere Erklärungen haben: (i) RBPJ kann die Transkription auf Notch-unabhängige Weise regulieren; (ii) RBPJ-„nur“ -Stellen können Notch1 nicht binden, können aber in der Lage sein, einen anderen der vier Säugetier-Notch-Paralogue zu binden; oder (iii) RBPJ-nur-Stellen, die in T-LL-Zellen identifiziert wurden, die überwiegend mit repressiven Chromatinmarkern assoziiert sind, könnten für Notch1 in diesen Zellen aufgrund der Anwesenheit anderer konkurrierender Proteine (z. B. stabiler Corepressorkomplexe) unzugänglich sein, können aber für Notch1 in anderen Zelltypen zugänglich sein. Transkriptionsfaktor-Bindungsmotive, die innerhalb von 250 bp von Notch1-Stellen angereichert waren, umfassten ZNF143 (das eine eingebettete hochaffine RBPJ-Stelle enthält) sowie ETS- und RUNX-Stellen. Für RBPJ-Standorte wurden CREB-, ETS- und RUNX-Motive innerhalb von 250 bp bestätigter Standorte stark angereichert. CREB / RBPJ-Stellen enthielten RBPJ-Motive mit geringerer Affinität, hatten jedoch ein stärkeres RBPJ-Signal. Zusammengenommen deuten diese Beobachtungen darauf hin, dass ETS- und RUNX-Familienfaktoren mit Notch / RBPJ in T-LL-Zellen kooperieren, was mit ihrer bekannten Rolle bei der T-Zell-Entwicklung und der Notch-Signalisierung übereinstimmt. Die Bindung von RBPJ an Stellen mit niedriger Affinität kann durch CREB-Verfügbarkeit moduliert werden. Ein einzigartiger Befund ist die Rolle des Zinkfingerproteins ZNF143 bei der Notch / RBPJ-Signalisierung. ZNF143 wurde mit Notch1 und RBPJ an einem signifikanten Bruchteil der Standorte gefunden. In vitro schlossen sich die DNA-Bindung durch ZNF143 und RBPJ gegenseitig aus. Dies deutet auf ein Modell hin, in dem DNA-gebundenes ZNF143 die Zugänglichkeit von RBPJ-Stellen zu Notch / RBPJ-Komplexen steuert. ZNF143-Stellen waren mit einer Prävalenz repressiver Chromatinmarken assoziiert, ebenso wie nur RBPJ-Stellen. Abb. 1A zeigt schematisch ein mögliches Modell für diese Wechselwirkungen. Eine offene Frage ist die mögliche Rolle der Notch-Transkriptionskomplex-Dimerisierung bei Langstrecken-Interaktionen, die die Transkription steuern. Die Notch-Transkriptionskomplex-Dimerisierung über Notch1 wurde auf Promotorebene beobachtet (15) und kann möglicherweise über lange DNA-Distanzen durch Chromatin-Looping auftreten.

Abb. 1.

(A) Arbeitsmodell von ZNF143-Notch/RBPJ übersprechen. ZNF143 besetzt DNA-Stellen, die sich mit RBPJ-Elementen überlappen. Wenn ZNF143 gebunden ist, ist RBPJ nicht. Wenn ZNF143 dissoziiert, können Stellen von RBPJ-only-Komplexen besetzt sein, die Corepressoren SMRT und SKIP enthalten können, die für das RBPJ-Targeting auf den Kern erforderlich sind (2). Sowohl die ZNF143- als auch die RBPJ-only-Belegung ist überwiegend mit transkriptioneller Repression assoziiert. In Gegenwart einer aktiven Kerbe bilden sich Notch / RBPJ / MAML-Komplexe. Diese rekrutieren p300 und andere Coaktivatoren und sind überwiegend mit transkriptioneller Aktivierung assoziiert. (B) Arbeitsmodell des EBF-EBNA2 / RBPJ-Übersprechens. EBF-Konsensus-Bindungsstellen enthalten eingebettete hochaffine RBPJ-Stellen. Dieselben Stellen werden wahrscheinlich von EBF-Dimeren oder RBPJ zu unterschiedlichen Zeiten verwendet. EBNA2 / RBPJ-Komplexe können DNA nach EBF-Dimer-Dissoziation binden, oder EBF-Monomer könnte mit RBPJ / EBNA2-Komplexen cobind. Diese Stellen sind im Allgemeinen mit Markern der transkriptionellen Aktivität assoziiert. EBNA-LP ist ein Coaktivatorprotein, das von der C-terminalen sauren Domäne von EBNA2 rekrutiert wird (19).

In proliferierenden lymphoblastoiden Zellen (LCL), die EBNA2 exprimieren, haben Wang et al. (14) fanden heraus, dass EBNA2 und RBPJ vorwiegend an nicht fördernden Stellen binden, wobei 72% der EBNA2-Stellen innerhalb von 100 bp einer RBPJ-Stelle liegen. Es gab jedoch eine signifikante Anzahl von EBNA2-Only- und RBPJ-Only-Sites. Neben RBPJ wurden die 500 bp um EBNA2-Standorte in EBF, ETS, RUNX, PU angereichert.1, und NF-kB (RELA) Websites. Dies korrelierte stark mit den tatsächlichen Belegungsdaten für diese Transkriptionsfaktoren. ETS- und RUNX-Sites, aber nicht PU.1 und NF-kB-Stellen, wurden auch in T-LL-Zellen in der Nähe von Notch / RBPJ-Stellen beobachtet. Die Clusteranalyse der EBNA2-Standorte basierend auf assoziierten Faktoren klassifizierte EBNA2 / RBPJ-Standorte in sechs Untergruppen mit unterschiedlichen Kombinationen von Cofaktoren. Alle Gruppen enthielten RBPJ in Kombinationen mit RELA-ETS, EBF-RUNX, EBF, ETS, no other factors und RUNX. Chromatin-Markierungen (H3K4me1) und p300-Belegung deuteten auf eine unterschiedliche Transkriptionsaktivität zwischen diesen Gruppen hin, wobei RELA-ETS am aktivsten und RUNX am wenigsten aktiv waren. Dies deutet darauf hin, dass die Anwesenheit oder Abwesenheit von Transkriptionskofaktoren die Transkriptionsaktivität von EBNA2 / RBPJ-Stellen moduliert. Interessanterweise gab es beim Vergleich von Chromatinmarken, die mit EBNA2-Stellen in LCL assoziiert waren, mit denen in nicht infizierten ruhenden B-Lymphozyten (RBLs) bemerkenswerte Überlappungen mit der gleichen Hierarchie von Stellen wie in LCL. Dies legt nahe, dass EBNA2 das Transkriptionsprogramm von RBLs nicht grundlegend verändert, sondern ihr bestehendes Programm nutzt, indem es RBPJ auf Stellen mit offenem Chromatin abzielt, die an der Bestimmung des Schicksals von B-Zellen beteiligt sind. EBF, das an ein DNA-Motiv bindet, das eine eingebettete hochaffine RBPJ-Stelle enthält, kann als „Pionier“ -Faktor wirken und Chromatinstellen öffnen, die von EBNA2 / RBPJ-Komplexen besetzt sind. Wie EBF die EBNA2 / RBPJ-Aktivität erleichtert, bleibt unklar. EBF-Dimere und RBPJ schließen sich bei der Bindung dieser Stellen wahrscheinlich gegenseitig aus, aber ein EBF-Monomer und RBPJ könnten kooperativ binden. Ob solche Komplexe existieren, muss noch getestet werden. Abb. 1B veranschaulicht zwei mögliche Modelle für diese Wechselwirkungen. Im Gegensatz zur ZNF143-Stelle waren EBNA2 / RBPJ / EBF-Stellen häufig mit Chromatinmarkern für die Transkriptionsaktivität assoziiert. Wie bei Notch1 in T-LL-Zellen schienen Gene, die durch EBNA2 in LCL bedingt hochreguliert wurden, weitgehend von multiplen Langstrecken-Chromatin-Wechselwirkungen mit Enhancern mehr als 2 kb von transkriptionellen Startstellen abzuhängen; 39% dieser Wechselwirkungen waren interchromosomal. Das MYC-Gen ist wichtig in der B-Zell-Transformation und ist ein Notch-Ziel in T-Zellen. Zhao et al. (13) zeigten, dass die wahrscheinlichsten Kandidatenstellen für die EBNA2 / RBPJ-vermittelte MYC-Regulation EBNA2 / RBPJ-Stellen bei -428 bis -556 kb der MYC-Transkriptionsstartstellen sind. Diese Seiten hatten Kennzeichen von aktiven Verstärkern, mit EBF, RELA, H3K4me1, H3K9ac, PolII und p300 Signale. Bemerkenswerterweise waren diese Stellen auch in RBL aktiv, wenn auch weniger, was wiederum darauf hindeutet, dass EBNA2 ein bereits existierendes Transkriptionsprogramm „entführt“, das RBPJ bei der Bestimmung des B-Zell-Schicksals verwendet, und der Unterschied zwischen RBLs und LCLs ist quantitativer (d. H., Stärke und / oder Dauer der Transkriptionsaktivität) als qualitativ. Interessanterweise scheinen Notch1 und EBNA2 die MYC-Transkription durch verschiedene mutmaßliche Enhancer in T-LL- bzw. EBNA2 ist wie Notch1 (15) zur Selbstassoziation fähig (16). Eine interessante Möglichkeit besteht darin, dass Unterschiede in der Standortnutzung zwischen NICD / RBPJ- und EBNA2 / RBPJ-Komplexen von physikalischen Wechselwirkungen zwischen Notch- oder EBNA2-haltigen Transkriptionskomplexen abhängen können, die Chromatinschleifen vermitteln.

„Kontextabhängigkeit“ ist ein Begriff, der häufig verwendet wird, um schlecht verstandene zelluläre Zustände zu beschreiben, die die molekularen und phänotypischen Effekte von Notch / RBPJ-Signalen modifizieren. Es gibt wahrscheinlich viele Schichten von „Kontext“ (z. B. Aktivität anderer Signalwege, Koexistenz onkogener Mutationen, microRNA-Expression). Diese beiden Studien (13, 14) geben dem Kontext auf Chromatinebene eine mechanistische Bedeutung und zeigen, wie Notch und EBNA2 RBPJ dazu bringen können, je nach Zusammenarbeit mit anderen Transkriptionsfaktoren und intra- und interchromosomalen Langstreckeninteraktionen unterschiedliche Transkriptionsprogramme durchzuführen. Die wesentliche Rolle von Langstrecken-Chromatin-Wechselwirkungen ähnelt dem, was für den Östrogenrezeptor-α beobachtet wurde (17, 18) und ist wahrscheinlich ein allgemeines Phänomen bei der Transkriptionsregulation.

Fußnoten

  • ↵ 1E-mail: umc.edu.
  • Autor Beitrag: L.M. schrieb das Papier.

  • Der Autor erklärt keinen Interessenkonflikt.

  • Siehe Begleitartikel auf den Seiten 14902 und 14908.

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