孕激素受體(PGR)在生殖組織中扮演多種角色,從而調(diào)控哺乳動(dòng)物的生育能力。在卵巢中,通過(guò)對(duì)一組獨(dú)特基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控,迅速、急性誘導(dǎo)PGR是排卵的關(guān)鍵決定因素, 最終導(dǎo)致卵泡破裂。然而,關(guān)于PGR在排卵中的專門(mén)功能的分子機(jī)制尚不清楚。我們通過(guò)組合ATAC-seq、RNA-seq和ChIP-seq分析,在野生型和特定異構(gòu)體PGR敲除小鼠中,建立了詳細(xì)的PGR作用基因組譜系。我們證明,刺激排卵迅速重塑了三分之二的染色質(zhì)可及性,與基因表達(dá)的改變相關(guān)。我們觀察到,卵巢特異性的PGR作用與RUNX轉(zhuǎn)錄因子的相互作用有關(guān),70%的PGR結(jié)合區(qū)域也與RUNX1結(jié)合。這些轉(zhuǎn)錄復(fù)合物將PGR結(jié)合到近端啟動(dòng)子區(qū)域。此外,PGR與典型的NR3C基序的直接結(jié)合使染色質(zhì)具有可及性。所有這些PGR作用共同介導(dǎo)了必需的排卵基因的誘導(dǎo)。我們的發(fā)現(xiàn)突出了一種新的針對(duì)排卵的PGR轉(zhuǎn)錄機(jī)制,為不孕不育治療或阻止排卵的新避孕藥提供了新的靶點(diǎn)。
圖形摘要
該研究于2023年4月發(fā)表發(fā)表在《Nucleic Acids Research》,IF:14.9。
技術(shù)路線
結(jié)果
1、排卵刺激通過(guò)不同的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合重塑染色質(zhì)狀態(tài)和轉(zhuǎn)錄
通過(guò)hCG注射小鼠誘導(dǎo)排卵提供了一個(gè)體內(nèi)模型,用于研究顆粒細(xì)胞對(duì)排卵信號(hào)的快速反應(yīng)。比較ATAC-seq揭示了染色質(zhì)可及性和排卵轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合的動(dòng)態(tài)變化。嚴(yán)格的ATAC-seq峰值調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)確定了總共71,287個(gè)可訪問(wèn)的染色質(zhì)峰,其中三分之二的峰在黃體生成素(LH)刺激后的6小時(shí)內(nèi)發(fā)生了改變,有28,729個(gè)位點(diǎn)(40.3%)受LH誘導(dǎo),21,257個(gè)位點(diǎn)(29.8%)顯著抑制,21,301個(gè)位點(diǎn)(29.8%)可及性無(wú)變化(FDR ≤ 0.05,圖1A)。LH介導(dǎo)的可及性變化不僅發(fā)生在啟動(dòng)子區(qū)域,還發(fā)生在遠(yuǎn)端增強(qiáng)子和基因區(qū)域(圖1B)。
為了預(yù)測(cè)參與LH介導(dǎo)的開(kāi)放染色質(zhì)位點(diǎn)可及性變化的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子的活性,進(jìn)行了轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合模體的差異分析(圖1C)。許多已知的排卵轉(zhuǎn)錄因子(如JUN/FOS、RUNX、CREB和CEBP)的模體在LH刺激后開(kāi)放染色質(zhì)峰中的結(jié)合分?jǐn)?shù)顯著增加,而CTCF、NR5A和ESRR的模體則富集于LH前開(kāi)放染色質(zhì)位點(diǎn)。有趣的是,NR3C家族的典型模體,包括孕激素受體(PGR)、糖皮質(zhì)激素受體(NR3C1/GR)、醛固酮受體(NR3C2/MR)和雄激素受體(NR3C4/AR),在LH刺激前的開(kāi)放染色質(zhì)中顯示出顯著較高的結(jié)合分?jǐn)?shù)。為支持這些發(fā)現(xiàn),使用HOMER進(jìn)行的新生模體富集分析也在LH誘導(dǎo)的開(kāi)放染色質(zhì)區(qū)域中鑒定出了JUN/FOS、RUNT和CEBP的模體,但沒(méi)有在LH抑制的開(kāi)放染色質(zhì)區(qū)域中發(fā)現(xiàn)(圖1D)。NR5A和GATA家族的模體在所有ATAC-seq峰集中同樣富集。重要的是,在LH抑制的子集中僅發(fā)現(xiàn)與NR3C成員結(jié)合的模體最匹配,與差異轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合分析模式一致。轉(zhuǎn)錄因子直接結(jié)合到這些模體的證據(jù)可在聚合的足跡圖中觀察到(圖1E)。顯示與轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合到這些位點(diǎn)相關(guān)的足跡模式,可以觀察到中度至深度的凹陷(JUN/FOS、CTCF、NR5A)和較淺的模式(RUNT、NR3C),暗示這些轉(zhuǎn)錄因子停留時(shí)間的差異。JUN/FOS足跡僅在LH刺激后才明顯,而NR3C足跡的證據(jù)在未刺激的細(xì)胞中最明顯。
通過(guò)對(duì)體內(nèi)LH刺激前或LH刺激后8小時(shí)收集的顆粒細(xì)胞進(jìn)行RNA-seq分析,將染色質(zhì)可及性譜系與基因表達(dá)變化相關(guān)聯(lián)。共鑒定了2088個(gè)差異表達(dá)基因(DEG),其中52%受LH刺激上調(diào)(圖2A)。其中包括許多已知與排卵相關(guān)的基因,如Ptgs2、Pgr、Runx1、Runx2和Adamts1。使用Ingenuity Pathway Analysis(IPA)軟件預(yù)測(cè)LH DEG的潛在上游調(diào)控因子,確定了一系列轉(zhuǎn)錄因子,其中許多也是對(duì)LH激增作出反應(yīng)的DEG,包括PGR(log FC = 6.4)、RUNX1(log FC = 4.6)、CEBPβ(log FC = 2.5)和JUNB(log FC = 2.1)。值得注意的是,除了PGR外,這些轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合模體也顯示出LH刺激后的可及性增加(圖1C、D)。通過(guò)比較LH DEG和這些基因啟動(dòng)子(TSS上游3 kb內(nèi))的LH依賴性染色質(zhì)可及性,展示了排卵前顆粒細(xì)胞中啟動(dòng)子可及性與下游基因表達(dá)之間的全局關(guān)系。69.3%的LH驅(qū)動(dòng)DEG(2088個(gè)基因中的1447個(gè))在啟動(dòng)子可及性發(fā)生顯著變化時(shí)顯示出轉(zhuǎn)錄變化(圖2B,紅色符號(hào))。LH誘導(dǎo)的基因的啟動(dòng)子可及性大多增加,而LH抑制的基因的可及性較低(Spearman相關(guān)系數(shù)=0.4297)。作為示例,Cxcr4和Inhbb是兩個(gè)分別上調(diào)和下調(diào)的基因,其表達(dá)模式與基因啟動(dòng)子處的ATAC-seq信號(hào)明顯相關(guān)(圖2C)。然而,在某些情況下,差異調(diào)節(jié)的基因具有一直可及的啟動(dòng)子,如Cited1。LH誘導(dǎo)的啟動(dòng)子可及性高的轉(zhuǎn)錄活躍基因主要與排卵相關(guān)的生物過(guò)程相關(guān),包括血管生成、MAPK信號(hào)通路和炎癥應(yīng)答??傊?,這些結(jié)果表明,作為對(duì)LH激增的全局染色質(zhì)重塑,很可能通過(guò)激活一組特定的轉(zhuǎn)錄因子,驅(qū)動(dòng)與LH觸發(fā)的排卵相關(guān)的基因表達(dá)譜系。
圖1.人絨毛膜促性腺激素治療后顆粒細(xì)胞染色質(zhì)景觀的整體變化
圖2.hCG治療后顆粒細(xì)胞的整體轉(zhuǎn)錄變化。
2、PGR和RUNX1在排卵期顆粒細(xì)胞中相互結(jié)合染色質(zhì)
RUNX1在排卵中具有功能重要性,并且RUNT基序在圍絕經(jīng)期顆粒細(xì)胞的PGR ChIP-seq峰值中高度富集。此外,我們發(fā)現(xiàn)在LH刺激后獲得染色質(zhì)可及性的區(qū)域含有富集的RUNT基序(圖1C)。RUNX1和RUNX2的表達(dá)在顆粒細(xì)胞中對(duì)LH激素的刺激作出反應(yīng)時(shí)被誘導(dǎo),并且在顆粒細(xì)胞特異性Sf1-cre RUNX1 KO小鼠中排卵被延遲。為了確定RUNX1是否是介導(dǎo)排卵基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制的關(guān)鍵因素,我們使用ChIP-seq在體內(nèi)hCG處理前或處理后的6小時(shí)內(nèi)定義了顆粒細(xì)胞中RUNX1的全基因組靶點(diǎn)。在LH激素釋放前就檢測(cè)到全局RUNX1-染色質(zhì)結(jié)合,但在LH激素釋放后也被7倍誘導(dǎo)(16065個(gè)LH誘導(dǎo)的峰值)(圖3A)。LH激活的RUNX1結(jié)合與LH誘導(dǎo)的開(kāi)放染色質(zhì)強(qiáng)烈相關(guān)(通過(guò)ATAC-seq定義)。通過(guò)比較RUNX1和PGR的ChIP-seq,我們?cè)趯?duì)LH刺激做出反應(yīng)的顆粒細(xì)胞中確定了RUNX1和PGR之間的明顯關(guān)系。PGR和RUNX1在100 bp內(nèi)共享了大量結(jié)合位點(diǎn),其中9704個(gè)染色質(zhì)位點(diǎn)(總PGR的70%或總RUNX1結(jié)合位點(diǎn)的52%)同時(shí)結(jié)合了PGR和RUNX1(圖3B)。在這些共享的PGR/RUNX1結(jié)合位點(diǎn)中,有9288個(gè)位于同一時(shí)間點(diǎn)鑒定的ATAC-seq開(kāi)放染色質(zhì)位點(diǎn)中。將轉(zhuǎn)錄活躍的RUNX1和PGR cistrome分為每個(gè)轉(zhuǎn)錄因子共享或only結(jié)合的部分,發(fā)現(xiàn)沒(méi)有RUNX1共結(jié)合的PGR結(jié)合位點(diǎn)與基因啟動(dòng)子的關(guān)聯(lián)程度相對(duì)較低。在PGR/RUNX1共結(jié)合位點(diǎn)中,靠近啟動(dòng)子的結(jié)合(在TSS的1 kb范圍內(nèi))是PGR的主要特點(diǎn)(圖3C)。PGR和RUNX1結(jié)合位點(diǎn)的顯著高度重疊,再加上我們先前報(bào)告的顆粒細(xì)胞PGR ChIP-seq中富集的RUNX1結(jié)合基序,暗示了PGR以先前報(bào)道的顆粒細(xì)胞特異性能力通過(guò)與RUNX1共結(jié)合來(lái)靶向近端啟動(dòng)子。這種依賴關(guān)系不是相互的,因?yàn)镽UNX1顯示出獨(dú)立于PGR共結(jié)合的近端啟動(dòng)子占據(jù)的優(yōu)勢(shì)。為了測(cè)試LH誘導(dǎo)的RUNX1染色質(zhì)結(jié)合是否依賴于PGR,我們比較了在PGR重疊位點(diǎn)與獨(dú)立于PGR的位點(diǎn)上LH誘導(dǎo)的RUNX1結(jié)合強(qiáng)度。在RUNX1富集水平上沒(méi)有觀察到差異,這表明PGR不太可能在這些共享位點(diǎn)上發(fā)揮RUNX1的連接或招募作用。
通過(guò)將具有PGR和/或RUNX1結(jié)合的基因與我們的LH響應(yīng)性差異表達(dá)基因列表進(jìn)行比較,展示了PGR和RUNX1在基因表達(dá)中對(duì)排卵信號(hào)的重要性(圖3D)。值得注意的是,所有LH介導(dǎo)的差異表達(dá)基因中,至少62.4%的基因在其近端啟動(dòng)子(在3 kb范圍內(nèi))上具有PGR或RUNX1結(jié)合,與LH抑制的差異表達(dá)基因相比,LH誘導(dǎo)的差異表達(dá)基因更頻繁地被PGR和/或RUNX1結(jié)合。其中,大多數(shù)(55%)RUNX1結(jié)合的LH差異表達(dá)基因和大多數(shù)(87%)PGR結(jié)合的LH差異表達(dá)基因?qū)嶋H上都被兩個(gè)轉(zhuǎn)錄因子共結(jié)合,這意味著PGR和RUNX1在目標(biāo)啟動(dòng)子上的同時(shí)相互作用是它們各自在基因調(diào)控中的主要機(jī)制。在排卵期顆粒細(xì)胞中的許多已知的PGR和RUNX1靶基因的啟動(dòng)子中可以看到PGR/RUNX1的相互染色質(zhì)占據(jù)(Rgcc,Adamts1和Cstl)(圖3E)。PGR/RUNX1的合作還可以通過(guò)形成與調(diào)控基因的近端啟動(dòng)子接觸的遠(yuǎn)端增強(qiáng)子來(lái)調(diào)控靶基因的表達(dá)。為了研究這一點(diǎn),我們整合了公開(kāi)可用的小鼠顆粒細(xì)胞Hi-C的染色質(zhì)-染色質(zhì)相互作用數(shù)據(jù)。Hi-C確定了與516/2088個(gè)LH差異表達(dá)基因的TSS相關(guān)的遠(yuǎn)端染色質(zhì)相互作用,其中至少28%被PGR和/或RUNX1結(jié)合(圖3D)。與PGR和RUNX1在近端啟動(dòng)子上的結(jié)合不同,PGR/RUNX1在遠(yuǎn)端增強(qiáng)子上的結(jié)合與LH誘導(dǎo)和LH抑制的基因表達(dá)同樣相關(guān)。以PGR靶基因Adamts1為例,它顯示了強(qiáng)烈的PGR/RUNX1共結(jié)合,位于通過(guò)小鼠顆粒細(xì)胞中的Hi-C以及人類(lèi)卵巢中的啟動(dòng)子捕獲-C指示的遠(yuǎn)端區(qū)域與Adamts1 TSS相互作用(圖3F)。
基序富集分析顯示,期望的典型RUNT基序在RUNX1基因組中高度且顯著富集(相對(duì)于背景的3.5倍,P值為1e-787),以及PGR基因組中(相對(duì)于背景的2.8倍,P值為1e-370)(圖3G)。NR3C基序在RUNX1結(jié)合的基因組中也富集(相對(duì)于背景的2倍,P值為1e-25)。這種富集僅限于PGR/RUNX1共結(jié)合位點(diǎn)。其他富集的非典型基序包括與JUN/FOS、CEBP和GATA轉(zhuǎn)錄因子對(duì)應(yīng)的基序。
通過(guò)近距離連接測(cè)定(PLA)證實(shí)了PGR和RUNX1在小鼠顆粒細(xì)胞核中的密切物理相互作用,這些細(xì)胞在模擬體內(nèi)排卵刺激的情況下經(jīng)過(guò)hCG和R5020處理長(zhǎng)達(dá)8小時(shí)(圖4A)。PLA信號(hào)顯示LH刺激迅速短暫誘導(dǎo)了PGR/RUNX1復(fù)合物,表明在刺激前大部分時(shí)間不存在的PGR/RUNX1相互作用在刺激后4小時(shí)內(nèi)增加。此外,通過(guò)免疫沉淀結(jié)合質(zhì)譜法在PGR表達(dá)的人類(lèi)顆粒細(xì)胞中,根據(jù)對(duì)R5020處理的響應(yīng),也表明了RUNX1和PGR之間的物理相互作用(圖4B)。PGR還可以與其他RUNX成員相互作用,正如在暴露于排卵刺激的顆粒細(xì)胞中的PGR/RUNX2 PLA所示(圖4C)。
圖3.在排卵周?chē)w粒細(xì)胞中,PGR和RUNX1共有共同的染色質(zhì)靶點(diǎn)。
圖4.顆粒細(xì)胞中的PGR與RUNX轉(zhuǎn)錄因子相互作用,以響應(yīng)黃體生成素激增。
3、PGR介導(dǎo)顆粒細(xì)胞染色質(zhì)可及性
PGR結(jié)合區(qū)域主要與轉(zhuǎn)錄活性染色質(zhì)重疊,如PGR和H3K27ac ChIP-seq峰值重疊75%,以及90%的PGR結(jié)合位點(diǎn)與ATAC-seq峰值重疊。此外,在激素刺激的顆粒細(xì)胞中還展示了PGR與組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶CBP/p300之間的相互作用。通過(guò)對(duì)PGRWT和PGRKO小鼠顆粒細(xì)胞的ATAC-seq進(jìn)一步研究了PGR結(jié)合與染色質(zhì)可及性之間的功能關(guān)系。發(fā)現(xiàn)在缺乏PGR的情況下,1499個(gè)位點(diǎn)的峰值強(qiáng)度顯著改變(圖5A);有趣的是,在PGRKO中,只有6個(gè)位點(diǎn)的ATAC峰值強(qiáng)度增加,而大多數(shù)位點(diǎn)在PGRKO中失去了可及性。盡管PGR-染色質(zhì)結(jié)合傾向于顆粒細(xì)胞的近端啟動(dòng)子區(qū)域,但PGR依賴的ATAC-seq峰值在整個(gè)基因組特征中更均勻地分布(圖5B)。PGR的消融導(dǎo)致了236個(gè)基因的失調(diào),通過(guò)對(duì)PGRWT和PGRKO顆粒細(xì)胞的RNA-seq鑒定出這些基因。一致地,在這些PGR依賴基因的啟動(dòng)子處,ATAC-seq峰值的強(qiáng)度減少是明顯的(Spearman相關(guān)系數(shù)=0.5116,P值<0.0001)(圖5C)。這表明這些基因的啟動(dòng)子可及性受到PGR消融的顯著影響。以Gpt2為例,其啟動(dòng)子在PGRKO中的可及性不同,在PGR缺失時(shí)不顯著改變的Abhd2的啟動(dòng)子可及性也顯示了PGR依賴的染色質(zhì)可及性(圖5D)。
在PGR驅(qū)動(dòng)的ATAC峰值上進(jìn)行了轉(zhuǎn)錄因子模體富集分析,并與PGR ChIP-seq中富集的模體進(jìn)行了比較。與ChIP-seq一樣,PGR驅(qū)動(dòng)的ATAC峰值序列中最高度富集且最顯著的模體是經(jīng)典的NR3C模體(相對(duì)于背景富集了12.4倍)。與PGR ChIP-seq類(lèi)似,PGR依賴的ATAC峰值中也顯著富集了一些非經(jīng)典模體(圖5E)。有趣的是,53%(795個(gè)中的1499個(gè))的PGR依賴的ATAC位點(diǎn)被PGR結(jié)合,而只有17.8%(267個(gè)位點(diǎn))顯示出任何RUNX1結(jié)合,其中幾乎所有位點(diǎn)(250/267個(gè)位點(diǎn))均被PGR和RUNX1結(jié)合(圖5F)。此外,PGRKO的ATAC-seq表明PGR通過(guò)結(jié)合經(jīng)典N(xiāo)R3C模體直接促進(jìn)染色質(zhì)可及性的子集區(qū)域。為了驗(yàn)證這一點(diǎn),我們使用與PGR密切相關(guān)的AR HT-SELEX數(shù)據(jù)生成了NR3C DNA結(jié)合的定量模型。從二核苷酸模型派生的能量logo(15個(gè)堿基對(duì))符合NR3C共識(shí)或PGR模體。接下來(lái),我們使用該模型估計(jì)了每個(gè)峰值中的PGR結(jié)合親和力,并將其與PGR ChIP-seq峰值強(qiáng)度進(jìn)行了比較,結(jié)果顯示PGR結(jié)合得分與PGR結(jié)合峰值呈現(xiàn)出適度的線性關(guān)系。我們通過(guò)受試者工作特征(ROC)曲線分析來(lái)檢查DNA結(jié)合模型預(yù)測(cè)PGR染色質(zhì)占據(jù)的能力,發(fā)現(xiàn)結(jié)合親和力對(duì)于所有PGR ChIP位點(diǎn)的染色質(zhì)占據(jù)只有適度的預(yù)測(cè)能力(AUROC = 0.63,n = 13,976),但在也是PGR依賴的ATAC-seq峰值的PGR ChIP峰值上的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性非常高(AUROC = 0.9,n = 804)(圖5G)。這得到了強(qiáng)烈的支持,因?yàn)榕c所有PGR結(jié)合位點(diǎn)相比,PGR綁定的PGR依賴ATAC峰值在ChIP峰值強(qiáng)度和NR3C模體結(jié)合親和力上表現(xiàn)出明顯的增強(qiáng)(圖5H)。綜上所述,這表明PGR通過(guò)結(jié)合選定的染色質(zhì)區(qū)域的NR3C模體來(lái)驅(qū)動(dòng)染色質(zhì)重塑,而在非經(jīng)典位點(diǎn)上的共享PGR/RUNX結(jié)合對(duì)于促進(jìn)染色質(zhì)可及性的依賴性較小。
圖5.PGR介導(dǎo)顆粒細(xì)胞染色質(zhì)的可及性。
4、PGR亞型介導(dǎo)特異性排卵基因調(diào)控
先前的研究已經(jīng)在總PGRKO和AKO小鼠中記錄了受干擾的排卵表型,但在BKO小鼠中沒(méi)有,通過(guò)對(duì)這三個(gè)小鼠品系的排卵率評(píng)估,我們驗(yàn)證了這一點(diǎn)。我們?cè)趶拿總€(gè)品系中獲取的PGRKO、AKO或BKO和WT同胞中的顆粒細(xì)胞中進(jìn)行了RNA-seq,并通過(guò)分層聚類(lèi)發(fā)現(xiàn),AKO顆粒細(xì)胞的全局基因表達(dá)模式與總PGRKO相似,而B(niǎo)KO則更接近每個(gè)品系的WT(圖6A)。在AKO中鑒定了310個(gè)基因的差異表達(dá),其中153個(gè)(或49.4%)也在缺乏兩個(gè)PGR亞型的情況下被鑒定出來(lái)(圖6B)。在這些基因中,48.6%和58.5%的AKO和PGRKO差異表達(dá)基因分別也在對(duì)LH峰值的響應(yīng)中差異表達(dá)。另一方面,失去PGR-B沒(méi)有導(dǎo)致顯著的轉(zhuǎn)錄變化(圖6B)。
為了確定共調(diào)控下游PGR靶基因的轉(zhuǎn)錄因子,使用IPA對(duì)DEG數(shù)據(jù)集的上游調(diào)控因子進(jìn)行了分析(圖6C)。如預(yù)期,PGR在PGRKO和AKO數(shù)據(jù)集中被顯示為最顯著的調(diào)控因子。此外,已知被PGR誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄因子,如PPARG和HIF1A,也在兩個(gè)數(shù)據(jù)集中富集。重要的是,這種獨(dú)立的方法還支持RUNX、JUN/FOS和CBP/p300作為PGR依賴性轉(zhuǎn)錄反應(yīng)的介導(dǎo)因子,因?yàn)镽UNX1、CBFα、JUN、FOS和p300也被通過(guò)上游分析鑒定出來(lái)。我們?cè)贏KO和BKO品系的hCG/孕激素刺激顆粒細(xì)胞中進(jìn)行了PGR/RUNX1和PGR/RUNX2的PLA。在AKO而不是BKO顆粒細(xì)胞中觀察到與RUNX1和RUNX2的蛋白質(zhì)相互作用的減少(圖6D)。
圖6.通過(guò)與特定轉(zhuǎn)錄因子配對(duì)的相互作用,圍排卵期顆粒細(xì)胞中由PGR亞型驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)錄組。
實(shí)驗(yàn)方法
顆粒細(xì)胞培養(yǎng)及激素治療、ATAC-seq、RNA-seq、ChIP-seq、鄰位連接試驗(yàn)(PLA)、GFP-TRAP免疫沉淀、質(zhì)譜。
參考文獻(xiàn)
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