Метилирование и гидроксиметилирование управляют дифференцировкой и активностью врожденных лимфоидных клеток

Один из основных механизмов регуляции экспрессии генов — это подавление транскрипции путем метилирования цитозина в CpG-островках, находящихся в промоторах и дистальных регуляторных элементах. Направленное деметилирование ДНК в клетке происходит с помощью ферментов TET1, TET2 и TET3. Они катализируют окисление 5mC (5-метилцитозина) до 5hmC (5-гидроксиметилцитозина), который далее окисляется до 5-формилцитозина и 5-карбоксилцитозина, удаляющихся с помощью эксцизионной репарации.

В связи с обогащением хроматина 5hmC и его химической стабильностью появилось предположение, что регуляция экспрессии генов с помощью 5hmC не зависит от его роли в деметилировании. Действительно, гидроксиметилирование, наравне с метилированием, оказалось важным для протекания различных процессов иммунной системы: развития В-клеток и двойных позитивных тимоцитов, перегруппировки легких цепей иммуноглобулина, эффективной выработки регуляторных Т-клеток и др. Однако роль гидроксиметилирования и метилирования в развитии и функционировании лимфоцитов врожденного иммунитета (innate lymphocytes) оставалась неизвестной.

Лимфоциты врожденного иммунитета включают в себя NK-клетки (natural killer cells, естественные киллеры) и врожденные лимфоидные клетки (innate lymphoid cells, ILC). NK-клетки и ILC1 участвуют в иммунном ответе на вирусные инфекции, ILC2 — на паразитические гельминты, ILC3 — на внеклеточные микроорганизмы. NK также обладают цитотоксической и противоопухолевой активностью, а ILC2 способствуют развитию аллергических заболеваний.

Исследователи использовали NK-клетки селезенки, а также ILC2 и ILC3 тонкого кишечника мыши. Из них выделили ДНК и провели MeDIP-seq (Methylated DNA ImmunoPrecipitation sequencing, иммунопреципитацию метилированной ДНК с последующим секвенированием) и MRE-seq (Methylation sensitive Restriction Enzyme sequencing, секвенирование с использованием чувствительного к метилированию фермента). С помощью алгоритма M&M, объединяющего данные MeDIP-seq и MRE-seq, ученые выявили DMR (дифференциально метилированные области) NK, ILC2 и ILC3.

NK-клетки имели в 2–3 раза больше DMR, чем ILC, и по их составу значительно отличаются от ILC. Среди разных типов клеток было найдено больше общих гипо-DMR (дифференциально гипометилированных областей), чем гипер-DMR. Это может говорить о том, что селективное деметилирование играет более важную роль в определении транскриптомов зрелых лимфоцитов врожденного иммунитета, чем селективное метилирование.

Исследователи нашли уникальные для каждого типа клеток DMR и провели анализ обогащения их мотивов с помощью ПО HOMER. Гипо-DMR NK были обогащены мотивами T-box, ILC2 — мотивами GATA и BZIP, ILC3 — мотивами ROR.

При совместном анализе DHMR (дифференциально гидроксиметилированных областей) и DEG (дифференциально экспрессируемых генов) ученые выявили связь гидроксиметилирования с экспрессией генов. Большинство гипер-DMR были гипогидроксиметилированными и наоборот. С DMR были ассоциированы гены дифференцировки и развития иммунных клеток, а с DHMR — гены активации лимфоцитов. Авторы предположили, что метилирование регулирует развитие лимфоцитов врожденного иммунитета, тогда как гидроксиметилирование — эффекторную активность.

Ученые выяснили, что гипер-DHMR были обогащены гистонами H3K4me1 и H3K27ac — маркерами высокоактивных энхансеров. Гипо-DMR демонстрировали аналогичную, но более слабую связь.

Авторы продемонстрировали, что гипометилированные и гипергидроксиметилированные области в NK-клетках, ILC2 и ILC3 положительно коррелируют с экспрессией генов. Это подтверждается насыщением данных областей гистонами с модификациями H3K4me1 и H3K27ac. Также ученые выдвинули предположение, что деметилирование больше влияет на транскриптом лимфоцитов врожденного иммунитета, чем метилирование, и что метилирование регулирует развитие лимфоцитов, а гидроксиметилирование — эффекторную активность. «Поскольку профилирование метилирования становится более чувствительным, оно будет иметь первостепенное значение в изучении дифференцировки лимфоцитов врожденного иммунитета», — считают авторы статьи.