欢迎光临河南佰泉生物科技有限公司官网!

通用banner
您当前的位置 : 首 页 > 新闻资讯 > 品牌动态

一种顺式作用元件结构性变化ZNF558基因控制人类大脑发育的基因调控网络

2022-02-22 09:36:02

尽管蛋白质编码基因的变化有限,但与黑猩猩相比,人类前脑的大小和复杂性都有所扩大,这表明基因表达调节是大脑进化的一个重要驱动力。在这里,我们确定了一个KRAB-ZFP转录因子ZNF558,它在人类而不是黑猩猩的前脑神经祖细胞中表达。ZNF558是作为LINE-1转座子的抑制者而进化的,但已被用来调节一个单一的目标,即有丝分裂基因SPATA18。ZNF558在线粒体稳态中起作用,在大脑器官中的功能缺失实验表明,ZNF558在人类早期大脑发育中影响发育时间。ZNF558的表达受一个变数串联重复的大小控制,与人类相比,黑猩猩的变数串联重复更长,在人类群体中也是可变的。因此,这项工作提供了关于顺式结构变异如何建立一个影响人类大脑进化的调控网络的机制性见解。

在这项研究中,全自动原位杂交仪我们展示了基因组非编码区的遗传变异如何控制保守的蛋白质编码基因的活性,从而建立起特定物种的转录网络。迄今为止,只有有限的证据表明顺式调控元件的变化对人脑进化很重要。经典的做法是,非编码基因的变化被认为会导致基因表达沿梯度的差异,导致附近基因的mRNA产物略多或略少。这种mRNA水平的差异是否对应于蛋白质水平的变化仍有争议,因为有证据表明在翻译水平上存在补偿性缓冲。也仍然不清楚一种蛋白质水平的差异如何影响物种健身。相反,我们的研究结果表明,非编码区有能力介导一个保守的蛋白质编码基因的开关。


KZFPs是哺乳动物转录因子中大的家族,并在灵长类动物中迅速扩展和进化。有人提出,KZFPs与TEs进行 "军备竞赛",其中KZFPs进化到与特定的TEs结合并抑制其活性。在这个模型中,TEs会突变它们的ZFP靶向位点,从而摆脱沉默并重新获得活性。然后,KZFP将进一步进化,再次沉默TE,导致KZFP和TE之间的动态竞争,推动其进化。这种进化机制已被提出来,被宿主基因组用来驱动进化机制。在这项研究中,我们提供了几个KZFPs在大脑发育中的人类特异性表达的证据。其中一个例子,ZNF558,出现在100多年前,用于抑制当时活跃的LINE-1转座子。尽管它的TE目标已经退化,但ZNF558在哺乳动物中是高度保守的,这与独立于TE抑制的功能性生物作用相一致。ZNF558现在与古老的L1(可能代表基因组化石)和人类细胞中的几个基因目标结合。在人类大脑发育过程中,我们发现ZNF558调控一个单一的蛋白质编码基因,SPATA18。


人类和黑猩猩fbNPCs之间ZNF558表达的异常开关的遗传基础在于下游的VNTR。VNTR的长度与ZNF558的抑制有关;在人类中,重复长度为30-40个单位,该位点与活跃的转录有关,而在NHPs中,VNTR要大得多,这与转录抑制有关。我们并不完全了解VNTR单位拷贝数的差异如何影响ZNF558的表达的分子机制。在人类和黑猩猩的fbNPCs中,VNTR都被抑制性组蛋白标记H3K9me3所装饰。由于黑猩猩的VNTR较长,所以基于VNTR的异染色质区域要大得多。我们还发现有证据表明,短的人类VNTR单元被转录,产生了一个lncRNA,它可能在顺式影响附近基因的表达,如ZNF558。对观察到的现象可能的解释是,延长的VNTR是一个异染色体区域,它的缩短显示了重复中的大脑特异性增强子和/或lncRNA。这种基于拷贝数的VNTR对附近蛋白编码基因表达的表观遗传调控机制让人想起以前在FSHD基因座上观察到的情况。


我们的观察结果与一个模型相一致,即人类和NHPs的共同祖先在ZNF558的下游携带了一个长的VNTR。这个VNTR在人类/黑猩猩进化分裂后收缩,导致了SPATA18水平的差异和人类大脑发育过程中线粒体平衡的改变。然而,这只是一个简化的模型,ZNF558的功能作用可能是多方面的。我们注意到,猩猩和猕猴在大脑发育过程中都表达了ZNF558,并且在SPATA18中有一个保守的ZNF588结合点。因此,ZNF558在大脑发育过程中介导的对SPATA18的压制不仅是人类特有的机制,而且也存在于其他灵长类物种。此外,ZNF558在人类的大多数成人组织中都有表达,而且我们没有发现人类和黑猩猩在这些组织中的大多数表达有分歧的证据。因此,ZNF558可能在成人组织中发挥额外的作用。虽然ZNF558是一个高度保守的基因,但SPATA18中的ZNF558结合位点只在灵长类动物中保守,这表明ZNF558在其他物种中发挥着不同的作用,以调节其他共同选择的目标。绘制ZNF558在其他关系较远的哺乳动物(如小鼠)中的功能作用将是有趣的,在这些动物中,目标序列的创新可能导致这种转录因子被共同用于其他功能作用。


在人类大脑发育过程中,缩短的VNTR和激活的ZNF558表达的下游后果是SPATA18的转录抑制。SPATA18的产物是MIEAP,它通过有丝分裂清除线粒体。新出现的文献表明,线粒体在神经干细胞命运决定和神经发生过程中处于核心地位,部分是通过控制NPCs分化为神经元时发生的从糖酵解到OXPHOS的代谢转换。ARHGAP11B是一个人类特异性基因,定位于线粒体,在那里诱导类似癌症的代谢以促进基底神经祖细胞的增殖。这一近的观察直接将线粒体功能与人类大脑皮层的标本化和扩张联系起来。在人类中由ZNF558独特调控的SPATA18究竟是如何进入这一代谢途径的,还有待确定,但我们使用大脑器官的结果表明,ZNF558在大脑发育过程中起着发育时机的作用。ZNF558表达被沉默的器官在分化的早期阶段体积较小,在后期生长阶段显示出具有更成熟转录组的神经元。这些发现让人想起以前在比较人类大脑器官和来自非人类类人猿的器官时观察到的差异。

原位杂交仪价格

我们的数据还表明,ZNF558基因座的VNTR的长度在人类群体中是可变的,有一些个体的重复长度与黑猩猩的相似。我们发现VNTR的长度与ZNF558在一组人类淋巴细胞系中的表达呈负相关。不幸的是,我们不可能从这个数据集中解决每个个体的VNTR等位基因的实际组成。然而,对携带双等位长VNTRs的人类个体进行分子和表型分析将是有趣的,并可能发现VNTRs在人类表型变化中的作用。我们还注意到,SPATA18基因座的DNA复制可导致智力障碍和语言及语言发育延迟,这表明SPATA18及其伙伴转录因子ZNF558可能与神经发育障碍有关。


总之,我们的结果说明了一个KRAB-ZFP,即ZNF558,是如何被合用并随后对人脑进化做出贡献的。未来对人类进化和人类疾病中的KRAB-ZFPs和VNTRs的研究将是有趣和有价值的。


标签

近期浏览: