O isolamento sequencial e direcional por locais conservados de CTCF é a base do temporizador Hox em stembryos

Oct 31, 2023

Nature Genetics volume 55, páginas 1164–1175 (2023)Cite este artigo

Durante o desenvolvimento, os genes Hox são ativados temporalmente de acordo com suas posições relativas em seus agrupamentos, contribuindo para as identidades adequadas das estruturas ao longo do eixo rostrocaudal. Para entender o mecanismo subjacente a este temporizador Hox, usamos stembryos derivados de células-tronco embrionárias de camundongos. Seguindo a sinalização Wnt, o processo envolve iniciação transcricional na parte anterior do cluster e uma carga concomitante de complexos de coesina enriquecidos nos segmentos de DNA transcritos, ou seja, com distribuição assimétrica favorecendo a parte anterior do cluster. A extrusão da cromatina ocorre então com sítios CTCF sucessivamente mais posteriores atuando como isolantes transitórios, gerando assim um atraso progressivo na ativação de genes mais localizados posteriormente devido a contatos de longo alcance com um domínio flanqueador topologicamente associado. Os troncos mutantes apoiam este modelo e revelam que a presença de sítios CTCF intergênicos evolutivamente conservados e regularmente espaçados controla a precisão e o ritmo deste mecanismo temporal.

Nos mamíferos, os genes Hox são transcritos durante a gastrulação, quando o embrião produz e organiza seu principal eixo corporal1. Ao final da gastrulação, o embrião apresenta a distribuição clássica de mRNAs Hox, com domínios progressivamente sobrepostos. Consequentemente, as células em vários níveis corporais ântero-posteriores (AP) expressam combinações distintas de proteínas HOX, que podem instruir geneticamente as populações celulares sobre quais morfologias elas devem produzir . A ativação espacial de qualquer gene Hox é amplamente fixada pela sua posição relativa dentro do seu cluster genômico, uma propriedade incomum descrita em moscas5,6 e na maioria dos animais com eixo AP7,8,9. Nos vertebrados, esse mecanismo está ligado a uma sequência temporal na ativação transcricional, inicialmente observada em mamíferos10,11 e posteriormente generalizada12,13. Embora a função deste temporizador tenha sido discutida anteriormente14,15,16, seu mecanismo permaneceu pouco caracterizado devido às dificuldades de análise das poucas células progenitoras neuromesodérmicas que alimentam o eixo de alongamento com novo tecido mesoderme e neurectoderme17,18 e onde a maioria Os genes Hox são ativados durante a extensão axial.

Foi proposto um modelo pelo qual uma abertura progressiva e direcional de uma configuração de cromatina fechada seria paralela a uma acessibilidade gradual de genes vizinhos a fatores de ativação , com o início da ativação dependendo da sinalização Wnt , uma via de sinalização ativa na parte mais posterior do embrião em desenvolvimento22. Nas fases subsequentes, foi relatado que os fatores de transcrição Cdx ativam genes Hox localizados mais centralmente , enquanto a sinalização Gdf11 pode regular mais genes localizados em 5 '(posteriores) . Coincidentemente, o mapeamento de sítios de ligação de CTCF (CBSs) dentro de clusters Hox revelou os seguintes três subdomínios: um domínio 'anterior' desprovido de sítios CTCF, um domínio localizado centralmente onde uma série de sítios CTCF são orientados para a extremidade 3' dos clusters e um domínio posterior onde vários sítios CTCF apresentam orientação oposta . Esta organização de sítios CTCF é altamente conservada entre espécies29 ou entre agrupamentos de genes parálogos28, ou seja, ao longo de várias centenas de milhões de anos de evolução, levantando a hipótese de que possam atuar como pontos de verificação na ativação temporal de genes Hox intercalados, devido ao seu envolvimento na confecção e estabilização de grandes alças juntamente com o complexo de coesina30,31.

Aqui revisitamos esta questão usando gastrulóides derivados de células-tronco embrionárias de camundongo agregadas (mES) cultivadas in vitro por vários dias. Após ativar a sinalização Wnt por 24 h, tais 'stembryos' começam a alongar uma protuberância que se assemelha ao crescimento do botão da cauda. Mostramos que o temporizador Hox começa com uma transcrição dependente de Wnt da parte livre de CTCF do cluster, o que desencadeia um aumento da carga assimétrica de complexos de coesina neste domínio. Isto é rapidamente seguido pela ativação transcricional gradual de genes na região rica em CTCF após uma progressão de 3' para 5' na extrusão de alça, juntamente com mudanças progressivas na arquitetura da cromatina do locus. Desafiamos este modelo usando stembryos mutantes e mostramos ainda que, embora a primeira fase seja suficiente para introduzir uma assimetria de 5' para 3' na transcrição, os locais CTCF organizam e protegem a sequência e o ritmo deste temporizador.