Эволюционно молодые факторы транскрипции участвуют в контроле клеточного цикла у человека

Клеточное деление — универсальный для всех эукариот процесс, который контролируется высококонсервативными генами. Однако роль эволюционно молодых генов в регуляции клеточного цикла остается невыясненной. Ученые из Федеральной политехнической школы Лозанны систематизировали данные об экспрессии генов по стадиям клеточного цикла в клетках человека и выявили важную роль транскрипционных факторов, которые эволюционировали недавно — некоторые имеются только у приматов.

Чтобы подробно исследовать экспрессию генов-регуляторов клеточного цикла, ученые разбили его основные фазы (G1, S, G2, M) на восемь подфаз: ранняя и поздняя G1 (eG1 и lG1), G1/S, первая и вторая половины S-фазы (S1 и S2), G2, G2/M и M. При помощи цитофлуориметрии клетки разделили на восемь субпопуляций, соответствующих этим подфазам, по уровню белка циклина А — ключевого регулятора клеточного цикла — и количества ДНК в клетке. Далее авторы провели секвенирование РНК клеточных субпопуляций и составили хронограмму экспрессии генов. Таким образом им удалось выявить характерные транскриптомные профили на разных фазах и ритмичность экспрессии, а также пронаблюдать связь транскриптома с переходом клетки в репликативную фазу и состоянием хроматина.

Анализ ДНК-связывающих белков на промоторных областях показал фазоспецифичное обогащение хроматина транскрипционными факторами (ТФ). Доля эволюционно древних ТФ была больше, но были выявлены участки, обогащенные более новыми ТФ. Промоторы генов, ассоциированных с G1-фазой, были специфично обогащены белками ZNF682 и ZNF724, появившимися у приматов около 43 млн. лет назад. На промоторах генов подфазы G1/S присутствовал эволюционно молодой ZNF519 — он появился у гоминид 20 млн. лет назад, и его уровни были сопоставимы с уровнями консервативных транскрипционных факторов. Описанные белки ZNF относятся к семейству KZFP — ДНК-связывающих белков с Крюппель-ассоциированным бокс-доменом и цинковым пальцем.

Ученые провели пертурбационный анализ экспрессии генов, чтобы оценить их роль в поддержании клеточного цикла. Для этого они выключали гены отдельных белков при помощи CRISPR-интерференции (CRISPRi), а также анализировали обогащение промоторных областей этими белками и экспрессию генов, имеющих фазоспецифичную экспрессию в клеточном цикле. Такой интегративный подход позволил выявить 11 ключевых для клеточного ДНК-связывающих белков, гены которых появились в последние 250 млн. Лет. При выключении этих генов клеточный цикл нарушался. Из них восемь принадлежали к семейству KZFP, причем три появились лишь у приматов: ZNF519, ZNF586 и ZNF587.

Далее ученые сосредоточилось на определении геномных мишеней белков ZNF519 и ZNF274, так как помимо локализации этих ТФ на промоторных участках фазоспецифичных генов, экспрессия их самих была ритмической. В соответствии с репрессирующим эффектом ZNF519, секвенирование РНК выявило повышение уровня транскриптов генов-мишеней в клетках с подавленной экспрессией ZNF519 и, наоборот, снижение уровня таких транскриптов в клетках с его гиперэкспрессией. Среди генов-мишеней ZNF519 были выявлены ключевые регуляторы клеточного цикла, такие как CDC25A, CDC25B, MYB, или DONSON. По данным Атласа ракового генома (TCGA), экспрессия гена ZNF519 коррелировала с пролиферацией 33 типов рака.

Результаты транскриптомного анализа клеток с нокаутом ZNF274 показали, что он действует как репрессор KZFP-генов в подфазе S/G2. То есть пока ZNF274 присутствует в клетке, а он экспрессируется именно в S/G2, он подавляет транскрипцию генов KZFP. Когда его уровень падает, экспрессия генов-мишеней восстанавливается.

Детальный анализ экспрессии в различных фазах клеточного цикла, проведенный в этой работе, выявил ранее неизвестную роль эволюционно молодых факторов транскрипции ZNF519 и ZNF274 в регуляции клеточного цикла. Результаты также подчеркивают значимость регуляторного белка ZNF519 в пролиферации опухолевых клеток.

Нарушение сборки хроматина останавливает клеточный цикл по р53-зависимому пути