SWI/SNF全基因组靶点鉴定揭示染色质重塑因子 EP400的补偿作用

撰文 | 染色体

基因激活依赖于转录因子 （TFs）和转录机器在基因启动子和增强子上维持 DNA的可及性。染色质重塑因子如 SWI/SNF 复合物在这一过程中发挥关键作用，它们利用 ATP 的能量滑动或移开核小体，从而影响 DNA 的可及性【1】。SWI/SNF 通过在启动子和增强子上产生无核小体区域 （NDRs）促进转录因子的结合和转录起始。此外，SWI/SNF 通过对染色质的动态影响，帮助 RNA 聚合酶 II （RNAPII）克服核小体障碍，从而确保适当的基因表达模式。SWI/SNF 在多种癌症中突变频率较高，其中 SWI/SNF 亚基经常包含驱动突变【2】。然而，我们对 SWI/SNF 活性的全面理解仍然面临挑战，因为通过 RNAi、基因敲除和突变研究得出的结论是相互矛盾的。目前的 SWI/SNF 功能模型涉及抑制增强子转录、抑制特定基因集以及激活特定增强子等不同观点。为了解决这些问题，研究人员致力于开发针对 SWI/SNF ATP 酶亚基BRG1 和 BRM 的快速、特异性的抑制剂和降解剂，以破坏 SWI/SNF 介导的染色质重塑，并揭示其直接作用【3】。最近的研究表明，在抑制BRG1/BRM 活性的情况下，仍然存在其他机制可以维持大多数基因的表达，这说明在BRG1/BRM 活性受到抑制时可能存在某些补偿机制影响染色质重塑因子的作用【4】。

2023年11月2日，来自哈佛医学院的Karen Adelman团队在Cell期刊发表题为Global identification of SWI/SNF targets reveals compensation by EP400（SWI/SNF全基因组靶点鉴定揭示EP400的补偿作用）的文章。研究人员通过时间分辨实验，揭示了染色质可及性的全局丧失，以及由补偿性染色质重塑因子 EP400 驱动的启动子处染色质可及性的恢复机制。该研究确定了可以准确预测多种癌细胞对SWI/SNF抑制敏感性的分子基因组特征，有助于提高SWI/SNF抑制剂的治疗潜力。

为了确定潜在的补偿性染色质重塑因子，研究人员采用时间分辨的实验方法，以小鼠胚胎干细胞（mESCs）为研究对象，探讨 SWI/SNF 抑制对增强子和基因活性的直接影响。研究表明，SWI/SNF 全局且持续地影响增强子和启动子的染色质可及性和转录起始。尽管在 SWI/SNF 抑制期间增强子受到持续抑制，但许多启动子的可及性和转录活性得到恢复。未能恢复的启动子表现出低表达、染色质可及性差和H3K4 单甲基化富集的特征。这些特征可用于预测多种癌细胞对 SWI/SNF 干扰的基因敏感性。研究还发现 EP400/TIP60共激活复合物在SWI/SNF 活性丧失中起着重要的补偿作用。EP400 的缺失导致细胞对SWI/SNF 活性丧失的敏感性显著增加。

SWI/SNF抑制对染色质可及性的影响

为了研究mESCs 中SWI/SNF的抑制对染色质可及性的影响，研究人员对活跃的启动子和增强子进行了系统鉴定。通过ATAC-seq和PRO-seq技术，研究人员发现，使用SWI/SNF抑制剂（BRM014）处理后，mESCs中增强子的染色质可及性显著降低。这种可及性丧失几乎发生在所有增强子位点上，尤其是与SWI/SNF结合紧密的增强子。短期抑制BRG1并不会将SWI/SNF从增强子中移除，但长期抑制会导致显著的染色质可及性丧失。同时，研究人员观察到， SWI/SNF长期抑制后，一部分与全能性相关转录因子结合的增强子仍然保持可及性，这可能是通过与CTCF和SNF2H等其他染色质重塑因子的相互作用来实现的。针对启动子的研究发现，SWI/SNF抑制后，启动子的染色质可及性显著降低。然而，当抑制时间延长时，启动子的可及性明显恢复，有些甚至超过SWI/SNF抑制前的水平。随着染色质可及性的恢复，启动子的转录活性也逐渐恢复。尽管大部分启动子都能在SWI/SNF活性丧失后恢复染色质可及性，但仍有一部分启动子始终保持抑制状态。这些发现表明，SWI/SNF在调控启动子和增强子染色质可及性和转录活性中起着重要作用。然后，研究人员进一步探究了启动子在长时间接受BRM014处理后基因表达的恢复机制。结果显示，在BRM014处理后，部分基因的表达下调，而另一部分基因的表达上调。下调基因的启动子染色质可及性和相关增强子的活动持续受到抑制，而未改变基因的染色质可及性得到恢复甚至增加，但其附近增强子仍持续受到抑制。此外，即使在上调基因中，虽然基因的活性不断增加，但附近增强子的恢复也只有部分恢复。分析表明，基因启动子的可及性和活性恢复并不依赖于附近增强子的恢复。长期的SWI/SNF抑制会导致增强子功能和基因表达发生障碍。

SWI/SNF抑制与癌细胞基因表达的关系

接下来，研究人员试图对SWI/SNF依赖的启动子与能够弥补SWI/SNF功能缺失的启动子特征进行鉴定。分析发现，与其他启动子相比，SWI/SNF依赖的Cluster 1启动子具有较低的可及性、较小且弱的NDRs，以及较低的RNA表达水平。Cluster 1基因主要富集在与细胞信号传导、发育和特定细胞类型相关的功能和一些非编码RNA。此外，SWI/SNF抑制可以抑制CpG岛启动子和GC含量较低的启动子。BRG1在Cluster 1启动子和增强子上的结合模式与其在+1核小体（启动子下游的第一个核小体）上的结合不同，这表明BRG1可能在Cluster 1启动子和增强子上发挥核小体移除的重要作用。Cluster 1启动子具有较低水平的H3K4me3修饰和较高水平的H3K4me1修饰，表明这些基因往往具有低表达水平和类似增强子的染色质特征。这些结果强调了SWI/SNF在低表达基因中的重要性。然后，研究人员通过对MV411细胞进行实验，证实了SWI/SNF抑制效应在不同类型细胞中的普遍性。SWI/SNF抑制导致MV411细胞的增强子失去可及性，部分启动子恢复可及性。基因表达分析显示部分基因持续受到抑制，而其他基因对此具有较强的耐受性。此外，研究人员还探究了SWI/SNF依赖性启动子的特征，并验证了这些特征在不同类型癌症中的预测作用。研究发现，基因启动子的H3K4me1信号和ATAC-seq信号可以用于预测基因对SWI/SNF抑制的敏感性。RNA-seq分析显示对SWI/SNF抑制敏感的基因表达下调，对SWI/SNF抑制耐受的基因相对不变。此外，单一的ATAC-seq数据集也可以用于预测基因对SWI/SNF干扰后的表达变化。研究还表明SWI/SNF依赖性是由基因启动子处的染色质状态决定的，与DNA序列无关。

EP400/TIP60对SWI/SNF抑制的补偿机制

以上结果表明，Cluster 1启动子缺乏一种补偿性重塑因子，该因子可以在SWI/SNF抑制后使染色质可及性恢复。因此，研究人员调查了mESCs中几种染色质重塑因子的ChIP-seq定位。通过对多能干细胞中染色质重塑因子的研究，发现在启动子Cluster 1中缺乏EP400和TIP60这两个重要因子（图A），它们与SWI/SNF复合物共同调节染色质可及性的恢复。另外，EP400的敲除对SWI/SNF活性丧失后的启动子Cluster 2-4的可及性恢复具有重要作用。这些研究结果表明，在SWI/SNF复合物活性不足时，EP400/TIP60复合物可以补偿其功能，恢复启动子的可及性。研究发现在缺乏功能性SWI/SNF复合物的细胞中，EP400/TIP60对建立适当的染色质结构至关重要。而且，EP400/TIP60和SWI/SNF复合物亚基之间存在合成致死作用，EP400的缺失增加了细胞对SWI/SNF抑制的敏感性（图B），这种现象在多种癌细胞中均得到验证，这些结果支持EP400/TIP60在SWI/SNF功能受干扰时对染色质结构恢复的关键作用。

图. EP400/TIP60对SWI/SNF抑制的补偿机制。

总之，该研究发现EP400/TIP60对SWI/SNF的功能具有补偿作用。在SWI/SNF被抑制时，EP400/TIP60通过替换某些组蛋白和乙酰化某些组蛋白来增加启动子染色质的可及性（图C）。EP400突变在转移性肿瘤中经常富集，其与SWI/SNF之间的合成致死性可能成为癌症治疗的靶点。因此，细胞对SWI/SNF功能缺失的补偿能力在疾病中具有重要意义。

https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.10.006

制版人：十一

参考文献

1. Narlikar, G.J., Sundaramoorthy, R., and Owen-Hughes, T. (2013). Mechanisms and functions of ATP-dependent chromatin-remodeling enzymes.Cell154, 490-503. https://doi.org/10.1016/j.cell.2013.07.011.

2. Centore, R.C., Sandoval, G.J., Soares, L.M.M., Kadoch, C., and Chan, H.M. (2020). Mammalian SWI/SNF chromatin remodeling complexes: emerging mechanisms and therapeutic strategies.Trends Genet. 36, 936–950. https://doi.org/10.1016/j.tig.2020.07.011.

3. Papillon, J.P.N., Nakajima, K., Adair, C.D., Hempel, J., Jouk, A.O., Karki, R.G., Mathieu, S., Mo¨ bitz, H., Ntaganda, R., Smith, T., et al. (2018). Discovery of orally active inhibitors of Brahma Homolog (BRM)/SMARCA2 ATPase activity for the treatment of Brahma Related Gene 1 (BRG1)/ SMARCA4-mutant cancers.J. Med. Chem.61, 10155–10172. https:// doi.org/10.1021/acs.jmedchem.8b01318.

4. Xiao, L., Parolia, A., Qiao, Y., Bawa, P., Eyunni, S., Mannan, R., Carson, S.E., Chang, Y., Wang, X., Zhang, Y., et al. (2022). Targeting SWI/SNF ATPases in enhancer-addicted prostate cancer.Nature601, 434–439. https://doi.org/10.1038/s41586-021-04246-z.