L'isolamento sequenziale e direzionale da parte dei siti CTCF conservati è alla base del timer Hox negli stembryos

Oct 31, 2023

Nature Genetics volume 55, pagine 1164–1175 (2023)Citare questo articolo

Durante lo sviluppo, i geni Hox vengono attivati ​​temporaneamente in base alle loro posizioni relative sui loro cluster, contribuendo alla corretta identità delle strutture lungo l'asse rostrocaudale. Per comprendere il meccanismo alla base di questo timer Hox, abbiamo utilizzato stembryos derivati ​​da cellule staminali embrionali di topo. A seguito della segnalazione Wnt, il processo prevede l'inizio della trascrizione nella parte anteriore del cluster e un concomitante caricamento di complessi di coesione arricchiti sui segmenti di DNA trascritti, cioè con una distribuzione asimmetrica a favore della parte anteriore del cluster. L'estrusione della cromatina avviene quindi con siti CTCF successivamente più posteriori che agiscono come isolanti transitori, generando così un progressivo ritardo temporale nell'attivazione di geni più posteriori a causa di contatti a lungo raggio con un dominio fiancheggiante topologicamente associato. Stembrioni mutanti supportano questo modello e rivelano che la presenza di siti CTCF intergenici conservati e regolarmente distanziati dal punto di vista evolutivo controlla la precisione e il ritmo di questo meccanismo temporale.

Nei mammiferi, i geni Hox vengono trascritti durante la gastrulazione, quando l'embrione produce e organizza il suo asse principale del corpo1. Alla fine della gastrulazione, l'embrione mostra la distribuzione classica degli mRNA Hox, con domini progressivamente sovrapposti. Di conseguenza, le cellule a vari livelli corporei antero-posteriori (AP) esprimono combinazioni distinte di proteine ​​HOX, che possono istruire geneticamente le popolazioni cellulari su quali morfologie dovrebbero produrre2,3. L'attivazione spaziale di qualsiasi gene Hox è in gran parte determinata dalla sua posizione relativa all'interno del suo cluster genomico4, una proprietà insolita descritta nelle mosche5,6 e nella maggior parte degli animali con un asse AP7,8,9. Nei vertebrati questo meccanismo è legato ad una sequenza temporale di attivazione trascrizionale, inizialmente osservata nei mammiferi10,11 e successivamente generalizzata12,13. Sebbene la funzione di questo timer sia stata discussa in precedenza14,15,16, il suo meccanismo è rimasto poco caratterizzato a causa delle difficoltà di analizzare le poche cellule progenitrici neuro-mesodermiche che alimentano l'asse di allungamento con nuovo tessuto mesodermico e neurectodermico17,18 e dove la maggior parte I geni Hox vengono attivati ​​durante l'estensione assiale.

È stato proposto un modello in base al quale un'apertura progressiva e direzionale di una configurazione chiusa della cromatina sarebbe parallela a un'accessibilità graduale dei geni vicini ai fattori attivanti19,20, con l'inizio dell'attivazione dipendente dalla segnalazione Wnt21, una via di segnalazione attiva nella parte più posteriore del sviluppo dell'embrione22. Nelle fasi successive, è stato segnalato che i fattori di trascrizione Cdx attivano i geni Hox localizzati più centralmente23,24,25, mentre la segnalazione Gdf11 potrebbe regolare più geni localizzati in 5′ (posteriori)26,27. Per coincidenza, la mappatura dei siti di legame CTCF (CBS) all'interno dei cluster Hox ha rivelato i seguenti tre sottodomini: un dominio "anteriore" privo di siti CTCF, un dominio situato centralmente in cui una serie di siti CTCF sono orientati verso l'estremità 3' dei cluster e un dominio posteriore in cui diversi siti CTCF mostrano l'orientamento opposto28. Questa organizzazione dei siti CTCF è altamente conservata sia tra specie29 che tra cluster di geni paraloghi28, cioè nel corso di diverse centinaia di milioni di anni di evoluzione, sollevando l'ipotesi che possano fungere da punti di controllo nell'attivazione temporale dei geni Hox intervallati, a causa del loro coinvolgimento nella realizzazione e stabilizzazione di grandi anelli insieme al complesso di coesione30,31.

Qui rivisitiamo questa domanda utilizzando gastruloidi32 derivati ​​da cellule staminali embrionali di topo (mES) aggregate coltivate in vitro per diversi giorni. Dopo aver attivato la segnalazione Wnt per 24 ore, tali "steli"33 iniziano ad allungare una sporgenza che assomiglia alla crescita della gemma caudale34. Mostriamo che il timer Hox inizia con una trascrizione dipendente da Wnt della parte priva di CTCF del cluster, che innesca un aumento del carico asimmetrico dei complessi di coesione su questo dominio. Ciò è rapidamente seguito dall'attivazione trascrizionale graduale dei geni nella regione ricca di CTCF dopo una progressione da 3′ a 5 ′ nell'estrusione dell'ansa, insieme a cambiamenti progressivi nell'architettura della cromatina del locus. Abbiamo sfidato questo modello utilizzando stembryos mutanti e abbiamo inoltre dimostrato che, mentre la prima fase è sufficiente per introdurre un'asimmetria da 5′ a 3′ nella trascrizione, i siti CTCF organizzano e assicurano la sequenza e il ritmo di questo timer.