文摘
骨骼肌生物学中一个未解决的至关重要的问题是如何启动和调节肌肉干细胞的遗传程序在肌肉发展。表观遗传规律是必不可少的细胞发育和器官发生在早期的生活和越来越清楚的是,表观遗传改造也负责细胞适应发生在晚年。DNA甲基化的胞嘧啶基地内CpG二核苷酸对是一种重要的表观遗传修饰,降低基因表达在位于启动子或增强剂。该领域的最新进展表明,表观遗传调控对骨骼肌干细胞至关重要的身份和随后的细胞的发展。综述总结了目前已知的骨骼肌干细胞如何通过DNA甲基化调节肌原性的程序,讨论了小说角色的新陈代谢在这个过程中,和地址DNA甲基化动力学在成人骨骼肌在体力活动。
1。介绍
“表观遗传学”这个词的字面意思是“遗传学”和由美国国立卫生研究院路线图基因学项目定义为“遗传基因活性的变化和表达式(细胞或个体的后代),也稳定,长期改变细胞的转录潜能,不一定是可遗传的。“表观遗传学基础能力的胚胎干细胞(具有相同的DNA代码)承诺三个胚芽层(内胚层,中胚层和外胚层)在开发的早期阶段,最终提交特定的细胞命运产生不同的细胞类型在一个生物体,包括骨骼肌。这些生物特征变化不改变DNA编码的结果,而是对DNA结构修改和/或组蛋白,或通过小分子rna转录后的基因沉默(包括microrna、核和piRNA) (1]。
考虑利息周围的表观遗传学,特别是DNA甲基化,在干细胞的身份的规定,本文旨在讨论最近的一些发现关于甲基化,主要侧重于骨骼肌干细胞(音乐,也称为卫星细胞)。虽然本文中没有讨论,值得一提的是,除了直接DNA修改,结构表观遗传控制是授予在组蛋白的水平。组蛋白核心蛋白H2A、H2B、H3和H4都含有长氨基端尾巴是很容易被转译后的修改包括甲基化(我),乙酰化作用(ac)磷酸化(p), SUMOylation(相扑)、泛素化(乌兰巴托)ADP-ribosylation (ADP),和citrullination (cit)(综述(2])。这些修改直接影响染色质的结构和调节转录。这些组蛋白修饰的复杂性最近被记录在表观基因学项目引发的一系列出版物(选择出版物3- - - - - -5])。
2。DNA甲基化
在讨论音乐DNA甲基化的生物学作用,必须首先定义甲基化的过程。DNA甲基化是一种很好的描述现象,主要发生在胞嘧啶基地内的5′位置CpG二核苷酸配对并导致5-methylcytosine的形成(5 mc)对转录和上下文特定的影响。DNA甲基化在基因的启动子区域通常与转录镇压由于招聘甲基CpG绑定域(MBD)蛋白质,RNA聚合酶,阻止转录因子和访问(6]。相比之下,基因内DNA甲基化已观察到的变量对基因转录的影响和可以调节可变剪接的过程(7- - - - - -9]。最后,启动子甲基化、基因间的DNA甲基化与基因镇压可能由于长期的行为抑制基因增强子(10,11]。虽然研究集中在启动子区域甲基化的作用,全基因组测序技术的出现凸显了潜在的改变基因内和基因间甲基化区域以响应环境刺激。他们的参与基因表达程序的规定将大大提高我们对组织的理解特定转录程序。
DNA甲基化和脱甲基仔细的过程由一个家庭的DNA甲基转移酶(DNMTs)和demethylases(一千零一十一易位(春节)酶)(图1)。的甲基转移酶种能阻碍DNMT3b DNMT3a和主要负责的生成新创DNA甲基化(12),而DNMT1已经发现保持有丝分裂后的甲基化模式(13]。有趣的是,尽管绝大多数的CpG对DNA甲基化是有限的,最近的一些研究发现了相当一部分CpH (H = a / C / T)甲基化网站的细胞和组织,包括骨骼肌和神经细胞(14,15]。在神经元,CpH观察甲基化被发现DNMT3a依赖、导致基因镇压[15]。DNMT酶相比,TET1 TET2,把5 mc 5-hydroxymethyl TET3异型体胞嘧啶(5 hmc,以及5-formylcytosine (5 fc)和5-carboxylcytosine (cac) 5日),然后可以通过基本切除修复机制(16,17]。
DNA甲基化最初认为只发生在胚胎植入前的胚胎生殖细胞发展和(21,22]。现在清楚的是,甲基化事件发生在应对各种环境因素和可能发挥更大的作用在调节适应整个寿命(在成人组织中21,22]。全面提高DNA甲基化被观察到的是胚胎干细胞转变为后期祖细胞和完全分化的体细胞23- - - - - -25]。这些甲基化事件可能调解的沉默配子中的特定和多能性基因转向特定细胞的身份。虽然不常见,甲基化可能发生的损失loci-specific的方式进一步推动规范(26- - - - - -28]。这些观测结果提供的证据瞬态表观遗传模式的角色在细胞命运决定和传承途径。这些表观遗传模式是否可以操纵,甚至逆转撤回承诺和回到多能性分化细胞的表观遗传和干细胞研究领域的重点。
3所示。转录调节骨骼肌干细胞
骨骼肌来自人口的中胚层祖细胞增殖,分化、融合、形成和成熟的骨骼肌纤维,这一过程称为肌细胞生成。重要的是,这些细胞的分组人口退出细胞周期早期,进入静止状态()。这些细胞位于基板和肌纤维膜的成人之间的肌肉纤维和占成人肌肉干细胞(音乐)人口(也称为卫星细胞)。这个人口的细胞赋予成人骨骼肌再生能力高的特点,在应对伤害或创伤成为激活,进入肌原性的程序生成新的肌肉纤维。
成对域同源框3 (Pax3)转录因子对迁移成功至关重要的肌原性的祖细胞向发展中肢芽和随后的肌肉形成(29日],而Pax7密切相关的是绝对至关重要的维护成人音乐人口(30.- - - - - -32]。除了Pax3/7,发展肌发生主要是通过控制的行动肌原性的调节因子(MRF)转录因子家族。磁流变液是基本helix-loop-helix (bHLH)蛋白质和肌原性的因素包括5 (Myf5),肌原性的分化1 (MyoD), myogenin,肌原性的调节因子4 (MRF4)。磁流变液经过严格的程序空间和时间的表达在开发过程中控制一组阳性基因驱动细胞的身份。最早的磁流变液检测蛋白质发生在妊娠中后期,特点是Myf5的外观,紧随其后的是MyoD [29日,33- - - - - -35]。这两个蛋白驱动肌原性的祖细胞的增殖和启动肌原性的规范。Myogenin很快表达,导致细胞退出细胞周期和接受终端分化36,37]。这些细胞融合和成熟的监管由MRF4(至少部分),这主要和次要纤维形成中起着重要作用[29日,33,38- - - - - -40]。从这简短的描述音乐的转录调节,很明显,特定转录的激活途径必须仔细监管,两个时空上,细胞从增殖,分化转移到一个成熟的肌肉纤维。
的确,在骨骼肌生物,最有趣的和紧迫的一个问题涉及到音乐活动的流程,规范肌原性的血统,并最终分化。几项研究已经提供了重要证据表明肌原性的监管机构的启动子和增强子区域的甲基化的起始肌原性的转录程序在体节41,42]。尽管全基因组甲基化模式在成人骨骼肌已报告,这种类型的综合分析尚未应用于骨骼肌发育的早期阶段或纯化成人音乐的数量。下一节将详细研究迄今为止有关DNA甲基化在成熟的骨骼肌功能及其作用以及音乐规范、增殖和分化。
4所示。甲基化和骨骼肌干细胞
4.1。DNA甲基化和脱甲基静止、增殖和分化音乐
微分调节DNMT和春节表达和活动肌肉发展是至关重要的对于理解环境因素之间的联系,胞内信号,DNA甲基化和基因表达。证据表明,这些甲基转移酶和demethylases可能监管isoform-specific地在肌细胞生成。的确,Dnmt1被发现在肌原性的表达下调与替代的亚型分化Dnmt1和Dnmt3b发现特别是在成熟的骨骼肌(43- - - - - -45]。此外,核糖核酸微阵列数据显示Tet1和Tet2增加了表达成肌细胞和肌管文化与19相比其它细胞类型(46]。支持高架demethylase活动肌肉成熟,这些作者也报道增加5 hmc水平相比,成人肌肉肌母细胞或肌管47]。有趣的是,最近出版的整个转录组数据集从静止的差别和增殖音乐显示非特异性对这些春节亚型以及Dnmt3a在音乐活动,的表达Dnmt1强劲增加(18]。这些观察表明,特定DNMT和春节亚型可能启动的关键MRF转录程序和/或调节细胞周期之间的过渡静止和增殖,增殖分化。
荧光激活细胞分类(流式细胞仪)技术的进步,加上下游基因阵列(Affymetrix微阵列)或全转录组测序(RNAseq),允许对转录组的生成签名纯干细胞数量,包括音乐(18- - - - - -20.]。仔细分析大量数据集的这些研究揭示了一个清晰的表达模式Dnmt和春节基因(表1)。赖亚尔在这样一个数据集和他的同事们,的表达Dnmt1被发现增加四倍,Dnmt3a在音乐激活减少三倍体外。类似的变化Dnmt1和Dnmt3a基因表达在另外两个研究使用在活的有机体内和体外激活音乐(19,20.]。相比之下,Dnmt3b表情没有变化,以应对音乐激活。有趣的是,音乐激活与2-10-fold降低有关的表达Tet1- - - - - -3基因(表1)。在一起,这些结果支持需要直接测量静止的甲基化状态与积极增殖音乐。
的甲基化状态静止音乐没有详细调查,一些作者试图定义一个DNA甲基化签名增殖与分化音乐文化。Tsumagari et al。(2013)评估DNA甲基化在人类成肌细胞增殖和分化肌管但没有发现甲基化模式之间的显著差异(47]。然而,当DNA甲基化的增殖和分化细胞肌原性的与成人骨骼肌相比,他们的损失~ 90% hypermethylated网站成熟的纤维(47)具有类似的发现报道Carrio et al。(2015)48]。有趣的是,许多脱甲基的基因与同源框和Tbox相关转录因子。Tsumagari也和同事们报道的甲基化Pax3基因在肌原性的细胞和成熟的骨骼肌。鉴于Pax3在迁移中的作用和早期家族承诺,它可能是有趣的,和更多的信息,来确定这种基因的甲基化状态在somitogenesis和早期规范(47]。两个额外的基因差异甲基化被观察到Obscn(编码一个巨大的肌肉相关的蛋白质)Myh7b(基因编码的慢,心脏肌凝蛋白重链),都是脱甲基(47]。相比之下,基金经理人et al .(2015)发现了一个小但显著增加全球DNA甲基化与成肌细胞肌发生进展肌管阶段。基因本体论分析显示与基因启动子区域的甲基化参与肌肉收缩和其他肌肉的过程。此外,两个绑定图案被转录因子ID4和ZNF238明显丰富hypermethylated启动子区域(49]。然而,一个重要的考虑因素,是本研究中使用的方法不区分5 mc和5 hmc。这种区别会对将来的研究至关重要,当口译的功能影响甲基化变化和5 hmc基因调控的作用。
5 hmc的具体浓缩在基因体或增强器区域常与激活和已被确定在人类胚胎干细胞(50]。从Terragni和他的同事在最近的一项研究中,存在5 mc和5 hmc在特定基因区域的等级信号通路是评估在成肌细胞,肌管,成熟的骨骼肌(51]。旁分泌Notch信号至关重要的监管几个发展途径,包括音乐的扩散(52]。使用全基因组的DNA甲基化,Terragni等人确定hypomethylated区域内或附近Notch信号包括基因Notch1及其配体Dll1和Jag2在所有的骨骼肌血统与其他细胞类型(51]。后续酶化验显示浓缩5 hmc相同或接近这些基因在成熟的骨骼肌,但不是成肌细胞或肌管51]。5 hmc修改在此上下文中可能作为微调机制快速诱导基因表达和细胞间信号时音乐利基骨骼肌再生和/或修复是必需的。
Brunk和他的同事们第一个执行研究有关DNA甲基化肌肉细胞的身份(41]。在这项研究中,结果表明:远端增强剂Myod1位于20 Kb上游的转录启动网站,完全是unmethylated CpG网站检查肌原性的细胞和一个族群的体节细胞。此外,nonmyogenic细胞显示增强剂在平均水平的甲基化> 50%41]。重要的是,缺乏甲基化被发现足以激活的基因在胚胎发生。最近,帕拉西奥斯等人报道,脱甲基的myogenin发起人somitogenesis期间发生在细胞内一种单纯的方式,这与myogenin表达式和随后的肌肉发展[42]。卢卡雷利等人也报告说,myogenin发起人unmethylated在肌肉细胞分化及其与表达(53]。
自1996年由Brunk开创性的工作和同事,卡里奥等人研究了一个110 kb的甲基化状态增强地区Myf5 / Myf6(称为“super-enhancer”,因为它有一个高密度的增强子元素)(54]。五剂元素分析在这个地区,都是高度甲基化的ESCs几乎完全脱甲基肌母细胞,肌管,骨骼肌在音乐会增加Myf5基因表达(48]。重要的是,这些都是阳性的观察和局部增强区域(48]。一起这些发现表明,DNA甲基化/脱甲基作用中起着至关重要的作用在调节肌细胞基因表达控制规范和强调了一个重要的角色在基因调控DNA甲基化改变外部启动子区域。
更好地描述DNA脱甲基的作用肌原性的发展,一些研究利用5-azacytidine (5 ac), DNA甲基化的有效抑制剂,通过DNMT1的封存和行为导致全球甲基化的损失。小鼠成纤维细胞(C3H10T1/2)处理5 ac 10天导致的出现一些细胞类型包括脂肪形成的和成骨的血统。然而,大多数的细胞进行了变换对肌原性的血统(55]。类似的结果一直在观察成纤维细胞后通过反义RNA (DNMT1抑制56]。这些发现提供了强有力的证据表明,DNA甲基化起着重要的作用在决定细胞命运。
在永生的C2C12肌原性的细胞系,增殖成肌细胞治疗5 ac展出阳性基因的表达增加(包括myogenin),增强肌管的成熟,自发收缩和Ca2 +瞬变(57- - - - - -59]。这些结果表明,细胞内DNA脱甲基作用已经致力于肌原性的血统可能诱发宽容染色质配置,允许阳性转录因子结合目标基因启动子促进分化。在类似的实验5 ac,增加蛋白表达的细胞周期素D(与分化)和p21 (postmitotic的相关维护状态),以及基因表达的肌原性的监管机构Myf5和Myod1,已经观察到60]。这些发现支持DNA脱甲基的作用在肌原性的分化。然而,这些研究进行了扩散成肌细胞肌原性的血统已经提交,重要的是,未来的研究探讨DNA甲基化在每个大步骤的肌细胞生成(静止、增殖和分化)。此外,全基因组甲基化分析,如减少表示酸性亚硫酸盐测序将提供全面的和重要的信息关于肌肉的早期发展和再生。
4.2。Dnmt和春节酶在胚胎发育
的一代春节和Dnmtisoform-specific敲除小鼠(KO)大大增强我们对DNA甲基化在胚胎干细胞的理解和发展。特别感兴趣的,删除TET1胚胎干细胞导致减少5 hmc和221个基因的失调,包括肌肉发展和收缩基因(61年]。然而,Tet1KO小鼠仍然可行的只有稍微减少体型。同样的,失去Tet2也导致可行的老鼠;然而,这些动物显示髓系恶性血液病的失调导致造血干细胞的损失5 hmc和高水平的5 mc在骨髓细胞(62年,63年]。在胚胎干细胞缺乏Tet1和Tet25,有更大的损失hmc比观察细胞缺乏Tet1或Tet2,但这些细胞仍具有多能性。结果双KO小鼠演示部分围产期死亡率,与那些幸存的老鼠显示生育能力下降(64年]。最后,失去Tet3导致新生儿杀伤力异常羟基化和脱甲基的父亲的基因组受损65年]。这些发现表明,春节不冗余和亚型函数扮演特定的角色在细胞命运决定和器官的发展。相比之下的损失Tet1或Tet2,DNMTs似乎更多生存的关键。Dnmt1KO胚胎逮捕8体节阶段和显示~甲基化水平降低70% (66年),Dnmt3aKO小鼠生存~ 4周的年龄,Dnmt3bKO小鼠不可行67年]。总之,很明显,调节DNA甲基化是胚胎发育的关键和DNMT春节酶发挥着重要和潜在的组织特定的角色在细胞的命运。未来的研究利用条件和诱导KO模型将是至关重要的解剖复杂的相互作用的DNA甲基化和脱甲基的转录调控网络和组织发展。
4.3。小说角色的新陈代谢在音乐DNA甲基化的规定
除了微分调节Dnmt和春节表情肌发生期间,这些蛋白质的活动可以调节代谢相关的方式(图1)[68年,69年]。DNA甲基化的过程涉及到一个甲基的附件(ch3)5′胞嘧啶基地的位置。甲基来源于S-adenosyl甲硫氨酸(SAM),这反过来通过产生一个碳代谢(特别是叶酸和蛋氨酸周期)。生产所需的前体山姆对DNA甲基化是来源于饮食(叶酸)或糖酵解(3 -磷酸甘油酸(3 pg)丝氨酸甘氨酸+ 5,10-methylenetetrahydrofolate (metTHF))。相比之下,春节依赖DNA脱甲基作用需要三羧酸(TCA)周期中间α酮戊二酸(α公斤)。这种依赖性DNMT和春节蛋白质代谢产物表明重要的细胞代谢的变化可能与戏剧性的变化在细胞DNA甲基化模式(70年]。
最近的研究已经确定了一个代谢重编程的过程在音乐从静止到核扩散,期间与主在静止和糖酵解增加脂肪酸氧化扩散(18]。虽然这代谢重编程过程与改变转录组蛋白乙酰化和基因表达的增加,似乎这样一个戏剧性的转变在新陈代谢(和细胞状态)可能会与几个表观遗传变化有关,包括DNA甲基化。当前特别感兴趣的讨论结果表明从静止的转变在音乐与扩散显著增加与酶相关基因的表达转换3 pg metTHF(磷酸甘油酸盐脱氢酶,Phgdh;磷酸丝氨酸转氨酶1,Psat1;磷酸丝氨酸磷酸酶,Psph;和丝氨酸hydroxymethyltransferase,Shmt)和异柠檬酸脱氢酶1(的表达下降Idh1,负责异柠檬酸的转化率α公斤)。这些关键代谢酶的表达水平的变化,再加上先前确定的变化Dnmt和春节(表1),建议一个可能增加DNA甲基化在音乐激活/扩散[18,20.]。未来的研究调查代谢之间的联系在音乐开关激活和DNA甲基化的变化将为我们对音乐的理解基本规范和下游转录程序。
5。骨骼肌DNA甲基化和体育活动
几项研究CpG甲基化模式在成人骨骼肌相比,在其他组织类型以定义骨骼肌的DNA甲基化特征。人类的一项研究评估一万七千CpG岛178特别hypermethylated骨骼肌与其他细胞类型包括血液相比,精子,大脑,和脾71年]。183年的一项类似研究发现不同甲基化CpG网站22日骨骼肌样本,在一组1628人体组织(72年]。最后,Calvanese等人发现了47 hypomethylated只在骨骼肌的基因,其中一些编码收缩蛋白质如obscurins myotilin, slow-twitch肌凝蛋白重链(27]。在一起,这些研究结果已清楚地表明,不同的组织类型显示不同的DNA甲基化模式适合基因控制的功能和结构,但他们未能提供信息的动态甲基化过程可能发生在响应环境刺激或组织发展。
现在承认,DNA甲基化是一个动态的过程,而骨骼肌塑料是一个高度组织能够快速响应需求的变化,DNA甲基化可能是一个特别重要的中介的适应性。骨骼肌对耐力和阻力训练通过适应收缩装置和代谢能力。巴尔和他的同事们曾报道,急性运动,在人类和小鼠,与瞬态DNA脱甲基在基因的启动子区域包括过氧物酶体扩散者激活受体γ(Pparg)coactivator-1α(Ppargc1a),丙酮酸脱氢酶激酶4 (Pdk4),Ppard在骨骼肌与瞬态感应基因表达的时间和强度依赖方式(73年]。这些数据表明,至少部分骨骼肌适应运动/收缩可能介导通过瞬态调控DNA甲基化。其他人也提供了证据表明组蛋白修饰发生在人类骨骼肌急性发作后的运动(74年],而长期的训练可能会造成持续影响DNA甲基化模式的阳性基因(75年]。
也有越来越多的证据表明,在围产期开发骨骼肌是容易受到侮辱或刺激,可能改变表观遗传程序,对基因转录的影响和功能结果在以后的生活中(76年- - - - - -80年]。例如,在老鼠,肥胖的母亲在启动子DNA甲基化引起的代谢主监管机构,Ppargc1a在骨骼肌的后代76年]。这是出生时发现,12个月的年龄,导致功能的后果Ppargc1a信使rna水平和下游基因表达(Glut4,Cox4,CytC)[76年]。此外,这些表观遗传变异与日后的代谢功能障碍(76年]。有趣的是,当肥胖的母亲被允许运动前和怀孕期间,启动子区域的甲基化Ppargc1a被废除的骨骼肌后代以及相关功能的后果(76年]。因此,极有可能,其他对骨骼肌基因重要发展可能epigenetically监管在生命早期的重要时期,容易受到环境刺激细胞生长。
6。结论
更多的研究是必要的进一步描述DNA甲基化和hydroxymethylation音乐之间的差异在不同的动态状态和具体调节这些甲基化事件。在这一过程中,这些研究将揭示小说的机制来调节音乐身份和增长。此外,isoform-specific角色的识别Dnmt和春节酶在调节磁流变液转录程序将提供新的见解DNA甲基化动力学和音乐功能,可以延长调查时间的肌肉适应和可塑性。最后,全基因组测序将使我们能够把这个研究也超出了经典阳性基因和扩展我们达到的区域内,基因间的DNA甲基化在调节转录程序。这些研究结果对于进一步发展我们的基本的认识是至关重要的,干细胞生物学和表观遗传调控和可能导致小说的发展技术诱导多能性细胞和推出新的治疗靶点。
利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。