3C는 진핵세포의 핵에서 크로마틴의 입체 구조/구성을 알아보는 연구 기법이다. 이 기법은 살아있는 세포를 포름알데히드로 처리하여 단백질들 사이의 결합 및 단백질과 DNA 사이의 결합을 고정시킨 후, 제한효소로 DNA를 절단하고, 그 절편들의 연결 빈도를 측정함으로써 DNA 절편 사이의 물리적 근접성을 보여준다. 이 기법을 이용하여 복합 유전자 좌위인 ${\beta}$-글로빈 좌위에서 locus control region이 전사가 활발한 유전자와 가까이 위치하고 있음이 밝혀졌으며, 이러한 결과는 크로마틴 입체 구조가 유전자 전사 조절에 관여함을 나타낸다. 또한 3C 기법은 ChIP 및 genome-wide sequencing과 결합되어 다양한 기술로 진화되었다. 본 총설은 3C의 원리 및 과정을 짚어보고, 3C 기법으로 밝혀진 ${\beta}$-글로빈 좌위의 크로마틴 입체 구조를 설명하고자 하며, 나아가 3C를 기본으로 한 다양한 응용 연구 기법도 살펴보고자 한다.
It is becoming increasingly clear that eukaryotic genomes are subjected to higher-order chromatin organization by the CCCTC-binding factor/cohesin complex. Their dynamic interactions in three dimensions within the nucleus regulate gene transcription by changing the chromatin architecture. Such spatial genomic organization is functionally important for the spatial disposition of chromosomes to control cell fate during development and differentiation. Thus, the dysregulation of proper long-range chromatin interactions may influence the development of tumorigenesis and cancer progression.
Liver cancer, particularly hepatocellular carcinoma (HCC), poses a significant global threat to human lives. To advance the development of innovative diagnostic and treatment approaches, it is essential to examine the hidden features of HCC, particularly its 3D genome architecture, which is not well understood. In this study, we investigated the 3D genome organization of four HCC cell lines-Hep3B, Huh1, Huh7, and SNU449-using in situ Hi-C and assay for transposase-accessible chromatin sequencing. Our findings revealed that HCC cell lines had more long-range interactions, both intra-and interchromosomal, compared to human mammary epithelial cells (HMECs). Unexpectedly, HCC cell lines displayed cell line-specific compartmental modifications at the megabase (Mb) scale, which could potentially be leveraged in determining HCC subtypes. At the sub-Mb scale, we observed decreases in intra-TAD (topologically associated domain) interactions and chromatin loops in HCC cell lines compared to HMECs. Lastly, we discovered a correlation between gene expression and the 3D chromatin architecture of SLC8A1, which encodes a sodium-calcium antiporter whose modulation is known to induce apoptosis by comparison between HCC cell lines and HMECs. Our findings suggest that HCC cell lines have a distinct 3D genome organization that is different from those of normal and other cancer cells based on the analysis of compartments, TADs, and chromatin loops. Overall, we take this as evidence that genome organization plays a crucial role in cancer phenotype determination. Further exploration of epigenetics in HCC will help us to better understand specific gene regulation mechanisms and uncover novel targets for cancer treatment.
The nucleus, a highly organized and dynamic organelle, plays a crucial role in regulating cellular processes. During cell differentiation, profound changes occur in gene expression, chromatin organization, and nuclear morphology. This review explores the intricate relationship between nuclear architecture and cellular function, focusing on the roles of the nuclear lamina, nuclear pore complexes (NPCs), sub-nuclear bodies, and the nuclear scaffold. These components collectively maintain nuclear integrity, organize chromatin, and interact with key regulatory factors. The dynamic remodeling of chromatin, its interactions with nuclear structures, and epigenetic modifications work in concert to modulate gene accessibility and ensure precise spatiotemporal control of gene expression. The nuclear lamina stabilizes nuclear shape and is associated with inactive chromatin regions, while NPCs facilitate selective transport. Sub-nuclear bodies contribute to genome organization and gene regulation, often by influencing RNA processing. The nuclear scaffold provides structural support, impacting 3D genome organization, which is crucial for proper gene expression during differentiation. This review underscores the significance of nuclear architecture in regulating gene expression and guiding cell differentiation. Further investigation into nuclear structure and 3D genome organization will deepen our understanding of the mechanisms governing cell fate determination.
CCCTC-binding factor (CTCF) critically contributes to 3D chromatin organization by determining topologically associated domain (TAD) borders. Although CTCF primarily binds at TAD borders, there also exist putative CTCF-binding sites within TADs, which are spread throughout the genome by retrotransposition. However, the detailed mechanism responsible for masking the putative CTCF-binding sites remains largely elusive. Here, we show that the ATP-dependent chromatin remodeler, chromodomain helicase DNA-binding 4 (CHD4), regulates chromatin accessibility to conceal aberrant CTCF-binding sites embedded in H3K9me3-enriched heterochromatic B2 short interspersed nuclear elements (SINEs) in mouse embryonic stem cells (mESCs). Upon CHD4 depletion, these aberrant CTCF-binding sites become accessible and aberrant CTCF recruitment occurs within TADs, resulting in disorganization of local TADs. RNA-binding intrinsically disordered domains (IDRs) of CHD4 are required to prevent this aberrant CTCF binding, and CHD4 is critical for the repression of B2 SINE transcripts. These results collectively reveal that a CHD4-mediated mechanism ensures appropriate CTCF binding and associated TAD organization in mESCs.
Giraud, Guillaume;Terrone, Sophie;Bourgeois, Cyril F.
BMB Reports
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제51권12호
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pp.613-622
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2018
RNA helicases DDX5 and DDX17 are multitasking proteins that regulate gene expression in different biological contexts through diverse activities. Special attention has long been paid to their function as coregulators of transcription factors, providing insight about their functional association with a number of chromatin modifiers and remodelers. However, to date, the variety of described mechanisms has made it difficult to understand precisely how these proteins work at the molecular level, and the contribution of their ATPase domain to these mechanisms remains unclear as well. In light of their association with long noncoding RNAs that are key epigenetic regulators, an emerging view is that DDX5 and DDX17 may act through modulating the activity of various ribonucleoprotein complexes that could ensure their targeting to specific chromatin loci. This review will comprehensively describe the current knowledge on these different mechanisms. We will also discuss the potential roles of DDX5 and DDX17 on the 3D chromatin organization and how these could impact gene expression at the transcriptional and post-transcriptional levels.
Eun-Chong Lee;Kyungwoo Kim;Woong-Jae Jung;Hyoung-Pyo Kim
BMB Reports
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제56권7호
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pp.398-403
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2023
Natural killer (NK) cells are an essential part of the innate immune system that helps control infections and tumors. Recent studies have shown that Vorinostat, a histone deacetylase (HDAC) inhibitor, can cause significant changes in gene expression and signaling pathways in NK cells. Since gene expression in eukaryotic cells is closely linked to the complex three-dimensional (3D) chromatin architecture, an integrative analysis of the transcriptome, histone profiling, chromatin accessibility, and 3D genome organization is needed to gain a more comprehensive understanding of how Vorinostat impacts transcription regulation of NK cells from a chromatin-based perspective. The results demonstrate that Vorinostat treatment reprograms the enhancer landscapes of the human NK-92 NK cell line while overall 3D genome organization remains largely stable. Moreover, we identified that the Vorinostat-induced RUNX3 acetylation is linked to the increased enhancer activity, leading to elevated expression of immune response-related genes via long-range enhancer-promoter chromatin interactions. In summary, these findings have important implications in the development of new therapies for cancer and immune-related diseases by shedding light on the mechanisms underlying Vorinostat's impact on transcriptional regulation in NK cells within the context of 3D enhancer network.
The non-coding DNA in eukaryotic genomes encodes a language that programs chromatin accessibility, transcription factor binding, and various other activities. The objective of this study was to determine the effect of the primary DNA sequence on the epigenomic landscape across a 200-base pair of genomic units by integrating 127 publicly available ChromHMM BED files from the Roadmap Genomics project. Nucleotide frequency profiles of 127 chromatin annotations stratified by chromatin variability were analyzed and integrative hidden Markov models were built to detect Markov properties of chromatin regions. Our aim was to identify the relationship between DNA sequence units and their chromatin variability based on integrated ChromHMM datasets of different cell and tissue types.
Chromosomes located in the nucleus form discrete units of genetic material composed of DNA and protein complexes. The genetic information is encoded in linear DNA sequences, but its interpretation requires an understanding of three-dimensional (3D) structure of the chromosome, in which distant DNA sequences can be juxtaposed by highly condensed chromatin packing in the space of nucleus to precisely control gene expression. Recent technological innovations in exploring higher-order chromatin structure have uncovered organizational principles of the 3D genome and its various biological implications. Very recently, it has been reported that large-scale genomic variations may disrupt higher-order chromatin organization and as a consequence, greatly contribute to disease-specific gene regulation for a range of human diseases. Here, we review recent developments in studying the effect of structural variation in gene regulation, and the detection and the interpretation of structural variations in the context of 3D chromatin structure.
Until recently, since the Human Genome Project, the general view has been that the majority of the human genome is composed of junk DNA and has little or no selective advantage to the organism. Now we know that this conclusion is an oversimplification. In April 2003, the National Human Genome Research Institute (NHGRI) launched an international research consortium called Encyclopedia of DNA Elements (ENCODE) to uncover non-coding functional elements in the human genome. The result of this project has identified a set of new DNA regulatory elements, based on novel relationships among chromatin accessibility, histone modifications, nucleosome positioning, DNA methylation, transcription, and the occupancy of sequence-specific factors. The project gives us new insights into the organization and regulation of the human genome and epigenome. Here, we sought to summarize particular aspects of the ENCODE project and highlight the features and data that have recently been released. At the end of this review, we have summarized a case study we conducted using the ENCODE epigenome data.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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