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一種順式作用元件結構性變化ZNF558基因控制人類大腦發育的基因調控網絡

2022-02-22 09:36:02

盡管蛋白質編碼基因的變化有限,但與黑猩猩相比,人類前腦的大小和復雜性都有所擴大,這表明基因表達調節是大腦進化的一個重要驅動力。在這里,我們確定了一個KRAB-ZFP轉錄因子ZNF558,它在人類而不是黑猩猩的前腦神經祖細胞中表達。ZNF558是作為LINE-1轉座子的抑制者而進化的,但已被用來調節一個單一的目標,即有絲分裂基因SPATA18。ZNF558在線粒體穩態中起作用,在大腦器官中的功能缺失實驗表明,ZNF558在人類早期大腦發育中影響發育時間。ZNF558的表達受一個變數串聯重復的大小控制,與人類相比,黑猩猩的變數串聯重復更長,在人類群體中也是可變的。因此,這項工作提供了關于順式結構變異如何建立一個影響人類大腦進化的調控網絡的機制性見解。

在這項研究中,全自動原位雜交儀我們展示了基因組非編碼區的遺傳變異如何控制保守的蛋白質編碼基因的活性,從而建立起特定物種的轉錄網絡。迄今為止,只有有限的證據表明順式調控元件的變化對人腦進化很重要。經典的做法是,非編碼基因的變化被認為會導致基因表達沿梯度的差異,導致附近基因的mRNA產物略多或略少。這種mRNA水平的差異是否對應于蛋白質水平的變化仍有爭議,因為有證據表明在翻譯水平上存在補償性緩沖。也仍然不清楚一種蛋白質水平的差異如何影響物種健身。相反,我們的研究結果表明,非編碼區有能力介導一個保守的蛋白質編碼基因的開關。


KZFPs是哺乳動物轉錄因子中大的家族,并在靈長類動物中迅速擴展和進化。有人提出,KZFPs與TEs進行 "軍備競賽",其中KZFPs進化到與特定的TEs結合并抑制其活性。在這個模型中,TEs會突變它們的ZFP靶向位點,從而擺脫沉默并重新獲得活性。然后,KZFP將進一步進化,再次沉默TE,導致KZFP和TE之間的動態競爭,推動其進化。這種進化機制已被提出來,被宿主基因組用來驅動進化機制。在這項研究中,我們提供了幾個KZFPs在大腦發育中的人類特異性表達的證據。其中一個例子,ZNF558,出現在100多年前,用于抑制當時活躍的LINE-1轉座子。盡管它的TE目標已經退化,但ZNF558在哺乳動物中是高度保守的,這與獨立于TE抑制的功能性生物作用相一致。ZNF558現在與古老的L1(可能代表基因組化石)和人類細胞中的幾個基因目標結合。在人類大腦發育過程中,我們發現ZNF558調控一個單一的蛋白質編碼基因,SPATA18。


人類和黑猩猩fbNPCs之間ZNF558表達的異常開關的遺傳基礎在于下游的VNTR。VNTR的長度與ZNF558的抑制有關;在人類中,重復長度為30-40個單位,該位點與活躍的轉錄有關,而在NHPs中,VNTR要大得多,這與轉錄抑制有關。我們并不完全了解VNTR單位拷貝數的差異如何影響ZNF558的表達的分子機制。在人類和黑猩猩的fbNPCs中,VNTR都被抑制性組蛋白標記H3K9me3所裝飾。由于黑猩猩的VNTR較長,所以基于VNTR的異染色質區域要大得多。我們還發現有證據表明,短的人類VNTR單元被轉錄,產生了一個lncRNA,它可能在順式影響附近基因的表達,如ZNF558。對觀察到的現象可能的解釋是,延長的VNTR是一個異染色體區域,它的縮短顯示了重復中的大腦特異性增強子和/或lncRNA。這種基于拷貝數的VNTR對附近蛋白編碼基因表達的表觀遺傳調控機制讓人想起以前在FSHD基因座上觀察到的情況。


我們的觀察結果與一個模型相一致,即人類和NHPs的共同祖先在ZNF558的下游攜帶了一個長的VNTR。這個VNTR在人類/黑猩猩進化分裂后收縮,導致了SPATA18水平的差異和人類大腦發育過程中線粒體平衡的改變。然而,這只是一個簡化的模型,ZNF558的功能作用可能是多方面的。我們注意到,猩猩和獼猴在大腦發育過程中都表達了ZNF558,并且在SPATA18中有一個保守的ZNF588結合點。因此,ZNF558在大腦發育過程中介導的對SPATA18的壓制不僅是人類特有的機制,而且也存在于其他靈長類物種。此外,ZNF558在人類的大多數成人組織中都有表達,而且我們沒有發現人類和黑猩猩在這些組織中的大多數表達有分歧的證據。因此,ZNF558可能在成人組織中發揮額外的作用。雖然ZNF558是一個高度保守的基因,但SPATA18中的ZNF558結合位點只在靈長類動物中保守,這表明ZNF558在其他物種中發揮著不同的作用,以調節其他共同選擇的目標。繪制ZNF558在其他關系較遠的哺乳動物(如小鼠)中的功能作用將是有趣的,在這些動物中,目標序列的創新可能導致這種轉錄因子被共同用于其他功能作用。


在人類大腦發育過程中,縮短的VNTR和激活的ZNF558表達的下游后果是SPATA18的轉錄抑制。SPATA18的產物是MIEAP,它通過有絲分裂清除線粒體。新出現的文獻表明,線粒體在神經干細胞命運決定和神經發生過程中處于核心地位,部分是通過控制NPCs分化為神經元時發生的從糖酵解到OXPHOS的代謝轉換。ARHGAP11B是一個人類特異性基因,定位于線粒體,在那里誘導類似癌癥的代謝以促進基底神經祖細胞的增殖。這一近的觀察直接將線粒體功能與人類大腦皮層的標本化和擴張聯系起來。在人類中由ZNF558獨特調控的SPATA18究竟是如何進入這一代謝途徑的,還有待確定,但我們使用大腦器官的結果表明,ZNF558在大腦發育過程中起著發育時機的作用。ZNF558表達被沉默的器官在分化的早期階段體積較小,在后期生長階段顯示出具有更成熟轉錄組的神經元。這些發現讓人想起以前在比較人類大腦器官和來自非人類類人猿的器官時觀察到的差異。

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我們的數據還表明,ZNF558基因座的VNTR的長度在人類群體中是可變的,有一些個體的重復長度與黑猩猩的相似。我們發現VNTR的長度與ZNF558在一組人類淋巴細胞系中的表達呈負相關。不幸的是,我們不可能從這個數據集中解決每個個體的VNTR等位基因的實際組成。然而,對攜帶雙等位長VNTRs的人類個體進行分子和表型分析將是有趣的,并可能發現VNTRs在人類表型變化中的作用。我們還注意到,SPATA18基因座的DNA復制可導致智力障礙和語言及語言發育延遲,這表明SPATA18及其伙伴轉錄因子ZNF558可能與神經發育障礙有關。


總之,我們的結果說明了一個KRAB-ZFP,即ZNF558,是如何被合用并隨后對人腦進化做出貢獻的。未來對人類進化和人類疾病中的KRAB-ZFPs和VNTRs的研究將是有趣和有價值的。


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