北京大學生命學院季雄課題組揭示BRD2介導RNA聚合酶II轉錄的功能機理
BRD2/3/4/T是哺乳動物細胞中BET蛋白家族成員,它們均包含兩個保守的溴結構域和一個ET結構域,是多種疾病抑制劑的關鍵靶點。BRD4通過招募轉錄延伸因子pTEF-b調控PolII的轉錄延伸在領域內廣泛報道。但是BET家族成員BRD2如何調控Pol II 轉錄,其與BET蛋白家族其它成員之間的功能關系尚不清楚。另一方面,BRD2對小鼠早期胚胎發(fā)育至關重要,然而BRD2在干細胞命運決定和分化中的調控機制依然未知。
2022年6月4日,北京大學生命科學學院季雄研究員課題組在Cellular and Molecular Life Sciences雜志在線發(fā)表了題為“BRD2 interconnects with BRD3 to facilitate Pol II transcription initiation and elongation to prime promoters for cell differentiation”的研究論文。該研究闡明了BRD2介導Pol II的轉錄起始和延伸事件,BRD2與BRD3在基因轉錄過程中的相互作用關系,以及BRD2如何協(xié)調Pol II轉錄起始為干細胞分化的蓄勢待發(fā)做準備,鑒定了BRD2的直接調控靶基因。相關工作為特異性BET抑制劑的開發(fā)和應用提供了新見解。
在本研究工作中,作者建立了BRD2蛋白質瞬時降解胚胎干細胞系,結合多種技術手段分析發(fā)現BRD2蛋白降解導致不同基因的Pol II轉錄起始和延伸障礙。進一步發(fā)現組蛋修飾H3K4me3低的區(qū)域,需要BRD2幫助轉錄起始因子TAF3招募;高豐度H3K4me3修飾的活躍轉錄區(qū)域,需要BRD2抑制轉錄延伸過程中R-Loop的形成。隨后通過ChIP-seq實驗,探討B(tài)RD2、BRD3和BRD4之間的交叉調控關系。作者意外地觀察到,BRD2降解會導致BRD3在特定基因啟動子區(qū)域的結合增加,但是BRD2和BRD3在增強子和超增強子的占位存在協(xié)同占位。為了進一步研究BRD2和BRD3對Pol II轉錄功能的影響,作者構建了BRD2/BRD3單降解和雙降解細胞系,通過對不同BET蛋白的單獨和組合調低后的Pol II ChIP-seq測序結果的分析,提出BRD2和BRD3可以以協(xié)同、拮抗和獨立三種方式調控Pol II在不同基因上的轉錄。
基于上述發(fā)現,作者進一步利用小鼠胚胎干細胞體外分化和多組學技術探討了BRD2調控Pol II轉錄的生理意義。研究發(fā)現BRD2在不同發(fā)育階段調控不同的基因:BRD2在干細胞階段調控的基因與干細胞命運沒有直接關系;然而BRD2在分化過程中調控分化相關基因的表達。這些分化基因在干細胞階段有BRD2結合,BRD2降解后,相應基因啟動子區(qū)域的Pol II起始也發(fā)生變化,表明BRD2在干細胞分化過程中蓄勢待發(fā)協(xié)調Pol II轉錄起始。
圖1.BRD2介導Pol II 轉錄調控的工作示意圖
北京大學生命科學學院季雄和博士后黃捷是該論文的共同通訊作者。北京大學前沿交叉學科研究院博士研究生王晨璐和生命科學學院博士研究生許杞欽是該論文的共同第一作者。武漢大學生命科學學院陳亮課題組為該工作提供了重要幫助。該工作得到科技部國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、北大-清華生命科學聯合中心、細胞增殖與分化教育部重點實驗室的資助。感謝北京大學鳳凰工程多個儀器平臺對本項目的大力支持。
來源:北京大學


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