Ruoli regolatori dei geni trasposoni rivelati utilizzando un approccio filogenetico / Transposon Gene Regulatory Roles Revealed Using Phylogenetic Approach

 Ruoli regolatori dei geni trasposoni rivelati utilizzando un approccio filogenetico / Transposon Gene Regulatory Roles Revealed Using Phylogenetic Approach

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Un nuovo studio suggerisce che l’antico DNA virale incorporato nel nostro genoma, a lungo considerato “spazzatura” genetica, potrebbe in realtà svolgere un ruolo importante nella regolazione dell’espressione genica / Un nuovo studio suggerisce che l’antico DNA virale incorporato nel nostro genoma, a lungo considerato “spazzatura” genetica, potrebbe in realtà svolgere un ruolo importante nella regolazione dell’espressione genica

Gli elementi trasponibili (TE) sono sequenze di DNA ripetitive che hanno origine da virus antichi ed attualmente costituiscono quasi la metà del genoma umano. Mentre un tempo i TE erano etichettati come DNA "spazzatura" privo di significato funzionale, recenti ricerche hanno scoperto che agiscono come interruttori genetici, controllando l'attività dei geni vicini in specifici tipi cellulari. Una corretta classificazione ed annotazione dei TE è fondamentale per comprenderne l'evoluzione, la cooptazione, il ruolo regolatorio ed il potenziale impatto sull'ospite. 

In un nuovo studio pubblicato su Science Advances intitolato " Un approccio filogenetico svela sottofamiglie di retrovirus endogeni criptici nel lignaggio dei primati ", i ricercatori dell'Università di Kyoto hanno sviluppato un approccio di annotazione basato sull'analisi filogenetica e sulla conservazione interspecie per rivelare i ruoli regolatori dei TE nello sviluppo umano. Lo studio è stato condotto dai coautori corrispondenti Xun Chen, PhD, professore associato presso l'Università di Kyoto; Guillaume Bourque, PhD, professore presso il Dipartimento di Genetica Umana dell'Università McGill; e Fumitaka Inoue, PhD, professore associato presso l'Università di Kyoto. 

Molti TE sono stati integrati nei genomi dei primati dopo la divergenza dagli altri mammiferi. I TE hanno contribuito con un numero considerevole di sequenze regolatrici al genoma umano e sono associati all'evoluzione dei siti di legame per il fattore di trascrizione (TF) durante l'evoluzione dei primati. Lo studio si è concentrato sulle sottofamiglie di ripetizioni terminali lunghe (LTR) giovani e scarsamente categorizzate, note come MER11A/B/C. 

I risultati hanno rivelato la presenza di quattro "nuove sottofamiglie", suggerendo una nuova annotazione per circa il 20% di questi elementi ripetuti. In particolare, il MER11_G2/G3 di età intermedia conteneva molteplici motivi di fattori di trascrizione, come ZIC, che svolge un ruolo nello sviluppo embrionale, e TEAD, implicato nella proliferazione cellulare. Questi motivi di fattori di trascrizione erano conservati tra uomo e macaco, suggerendo un ruolo funzionale durante l'espansione precoce di MER11 e prima della divergenza tra queste due specie. Gli autori hanno inoltre applicato il loro approccio a 53 sottofamiglie di LTR arricchite da scimmie e hanno definito 75 nuove sottofamiglie con una nuova annotazione per circa il 30% dei casi di 26 sottofamiglie. 

Per verificare direttamente se le sequenze MER11 possono controllare l'espressione genica, gli autori hanno convalidato il potenziale regolatore di queste sottofamiglie utilizzando il saggio reporter massivamente parallelo basato su lentivirus (lentiMPRA), una nuova tecnologia che consente la caratterizzazione funzionale degli enhancer in modo quantitativo ed ad alto rendimento mediante l'uso di codici a barre trascritti su quasi 7000 sequenze MER11 e motivi identificati associati alle loro attività differenziali. 

I risultati hanno mostrato che la sottofamiglia più giovane, MER11_G4, mostrava una forte capacità di attivare l'espressione genica. Ulteriori analisi hanno indicato che le sequenze MER11_G4 negli esseri umani, negli scimpanzé e nei macachi avevano accumulato ciascuna diverse alterazioni nel tempo. Ad esempio, alcune sequenze hanno subito mutazioni che ne hanno aumentato il potenziale regolatorio durante la fase di maturazione delle cellule staminali negli esseri umani e negli scimpanzé. 

È stato scoperto che il gene MER11_G4 umano presenta una delezione del motivo SOX, emersa dopo la divergenza tra umani e macachi. È noto che SOX15 e SOX17 svolgono un ruolo cruciale nella differenziazione delle cellule germinali primordiali umane e nella regolazione genica tessuto-specifica. Gli autori suggeriscono che questi motivi SOX specifici delle scimmie nelle sottofamiglie di MER11 possano influenzare la rete di regolazione genica durante lo sviluppo in modo specifico per ogni lignaggio. 

Guardando al futuro, gli autori hanno affermato che l'utilizzo di profili epigenetici e funzionali, come in questo studio, potrebbe rappresentare una strategia efficace per valutare metodi alternativi per la classificazione e l'annotazione degli TE.

ENGLISH

Transposable elements (TEs) are repetitive DNA sequences that originate from ancient viruses and currently make up nearly half of the human genome. While TEs were once labeled as “junk” DNA with no functional significance, recent research has found that they act as genetic switches, controlling the activity of nearby genes in specific cell types. Proper classification and annotation of TEs is critical for understanding their evolution, co-option, regulatory roles, and potential impact on the host. 

In a new study published in Science Advances titled “A phylogenetic approach uncovers cryptic endogenous retrovirus subfamilies in the primate lineage,” researchers from Kyoto University have developed an annotation approach based on phylogenetic analysis and cross-species conservation to reveal the regulatory roles of TEs in human development. The study was led by co-corresponding authors Xun Chen, PhD, assistant professor at Kyoto University; Guillaume Bourque, PhD, professor in the Department of Human Genetics at McGill University; and Fumitaka Inoue, PhD, associate professor at Kyoto University. 

Many TEs were integrated into the primate genomes after the divergence from other mammals. TEs have contributed a substantial number of regulatory sequences to the human genome and are associated with the evolution of TF-binding sites during primate evolution. The study focused on the poorly categorized, young long terminal repeat (LTR) subfamilies known as MER11A/B/C. 

Results revealed the presence of four “new subfamilies,” suggesting a new annotation for approximately 20% these repeat elements. Notably, the intermediate-aged MER11_G2/G3 contained multiple transcription factor motifs, such as ZIC, which plays a role in embryonic development, and TEAD, implicated in cell proliferation. These TF motifs were conserved between human and macaque, suggesting a functional role during the early expansion of MER11, and before the divergence between these two species. The authors also applied their approach across 53 simian-enriched LTR subfamilies, and defined 75 new subfamilies with novel annotation for approximately 30% of instances from 26 subfamilies. 

To directly test whether MER11 sequences can control gene expression, the authors validated the regulatory potential of these subfamilies using lentivirus-based massively parallel reporter assay (lentiMPRA), a novel technology that enables functional characterization of enhancers in a high-throughput and quantitative manner by using transcribed barcodes, on nearly 7000 MER11 sequences and identified motifs associated with their differential activities.  

Results showed that the youngest subfamily, MER11_G4, exhibited a strong ability to activate gene expression. Further analysis indicated that MER11_G4 sequences in humans, chimpanzees, and macaques had each accumulated different changes over time. For example, some sequences gained mutations that increased their regulatory potential during stem cells in humans and chimpanzees.  

Human MER11_G4 was found to possess a SOX motif deletion, which emerged after the divergence between humans and macaques. SOX15 and SOX17 are known to play crucial roles in human primordial germ cell differentiation and tissue-specific gene regulation. The authors suggest that these ape-specific SOX motifs in MER11 subfamilies may influence the gene regulatory network during development in a lineage-specific manner. 

Looking ahead, the authors stated that using epigenetic and functional profiles, as in this study, could be an effective strategy to evaluate alternative methods for TE classification and annotation. 

Da:

https://www.genengnews.com/topics/drug-discovery/transposon-gene-regulatory-roles-revealed-using-phylogenetic-approach/?_hsenc=p2ANqtz-998bEV-Twlx0Qm4piJl6vvgrC3tCyKlz9M6I3URYlYvFPalbo4LsX7UjDsTBt_FBXgEVF6JWVA5R8M2ndGOkr_1IrpzkA23b9qs0_s3t3s160Uoh4&_hsmi=372236060