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ChIP-seq在揭示釀酒酵母Tho2介導(dǎo)Nrd1調(diào)控衰老相關(guān)基因表達(dá)中的應(yīng)用

瀏覽次數(shù):541 發(fā)布日期:2024-6-6  來源:本站 僅供參考,謝絕轉(zhuǎn)載,否則責(zé)任自負(fù)
衰老的特點是分子、細(xì)胞和器官損傷的逐漸積累,導(dǎo)致生物功能下降,對疾病和死亡的敏感性增加。釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)作為首個實現(xiàn)完整基因組測序的模式真核細(xì)胞,具有繁殖迅速、培養(yǎng)條件簡單、基因組小等優(yōu)點,并且與人類的衰老曲線相似,成為衰老壽命研究的理想模型;诮湍改P偷乃ダ涎芯拷沂玖硕喾N保守的壽命調(diào)控通路,并可以揭示衰老與mRNA出核之間的有趣關(guān)系。THO復(fù)合體是一個保守的多亞基組裝體,包括Hpr1、Tho2、Mft1、Thp2和Tex1,與其他因子(如TREX和TREX-2)錯綜復(fù)雜地連接,這些因子對mRNA出核至關(guān)重要。Nrd1與衰老之間的直接相關(guān)性尚未確定,但Nrd1、Rrp6和RNA監(jiān)測通路之間的復(fù)雜相互作用可能與細(xì)胞衰老過程密切相關(guān)?傊,衰老與RNA生物發(fā)生和出核之間的關(guān)系越來越引起人們的興趣,但其確切機制尚不清楚。

2024年5月20日,韓國漢陽大學(xué)Soo Young Cho/Hong-Yeoul Ryu/Seong Hoon Ahn合作研究發(fā)現(xiàn),THO復(fù)合體的Hpr1和Tho2兩個組分缺失會導(dǎo)致復(fù)制壽命(replicative lifespan,RLS)減少,且與一種新的不依賴于Sir2的RLS調(diào)控通路相關(guān)。相關(guān)成果以“Tho2-mediated escort of Nrd1 regulates the expression of aging-related genes”為題發(fā)表在《Aging Cell》(IF 7.8 / 1區(qū))期刊上。

 

標(biāo)題:Tho2-mediated escort of Nrd1 regulates the expression of aging-related genes(Tho2介導(dǎo)Nrd1調(diào)控衰老相關(guān)基因表達(dá))
時間:2024-5-20
期刊:Aging Cell
影響因子:IF 7.8 / Q1
技術(shù)平臺:ChIP-seq、RNA-seq等

研究摘要:
THO復(fù)合體對于mRNA共轉(zhuǎn)錄成熟和出核至關(guān)重要。盡管核糖體組分Rrp6對hpr1Δ或tho2Δ突變體中的轉(zhuǎn)錄本螯合產(chǎn)生抗性,但這種螯合缺失未能減輕hpr1Δ中的RLS缺失。hpr1Δ或tho2Δ中的RLS缺失被與Rrp6互作的Nrd1特異性突變體的額外表達(dá)所抵消。這種作用依賴于Nrd1與RNA聚合酶II互作,Nrd1是衰老相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子,包括核糖體生物發(fā)生或RNA代謝基因。Nrd1過表達(dá)降低了Tho2依賴性通路中的RLS。而Tho2缺失通過誘導(dǎo)Nrd1在染色質(zhì)上的任意結(jié)合來響應(yīng)Nrd1過表達(dá)效應(yīng)。全基因組ChIP-seq分析揭示在Tho2缺失后,Nrd1對與衰老相關(guān)的翻譯相關(guān)基因招募增加。本研究結(jié)果強調(diào)了Tho2介導(dǎo)的Nrd1通過衰老相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控在壽命通路調(diào)控中的重要性。這項研究提供了對衰老分子機制的新見解,特別是關(guān)于RNA代謝和轉(zhuǎn)錄調(diào)控如何與衰老過程互作的理解,對Tho2-Nrd1軸的進一步研究可能有助于開發(fā)延緩衰老和改善健康壽命的策略。

實驗方法:
本研究使用釀酒酵母Saccharomyces cerevisiae作為模型生物,通過基因敲除和過表達(dá)等方法,結(jié)合斑點實驗、RLS分析、CLS分析、ChIP-seq和RNA-seq等技術(shù)手段進行研究。

結(jié)果圖形:
(1)THO復(fù)合體以不依賴于Sir2方式調(diào)控RLS
圖1:THO復(fù)合體中的Hpr1和Tho2以Sir2非依賴性方式影響RLS。
(a、b)WT和指示突變體的RLS分析。平均壽命顯示在括號中。
 
(2)Hpr1不依賴于核酸外切酶成分Rrp6影響壽命
圖2:RRP6缺失可以挽救Rho誘導(dǎo)的細(xì)胞中受損的RLS,但不能挽救hpr1Δ細(xì)胞。
(a) 用空載體(pCM189)或表達(dá)Rho的質(zhì)粒(pCM189-Ro)轉(zhuǎn)化的WT和rrp6∆菌株進行RLS分析,如圖1所示。為了進行生長分析,將所示菌株的十倍稀釋液點樣在Rho抑制(+Doxy)或Rho誘導(dǎo)(−Doxy)板上,然后在25°C下生長2-3天。
(b) 兩種不同遺傳背景(BY4741和W303α)中WT和指示突變菌株的RLS分析,如圖1所示。
(c) WT和指示突變體的CLS分析。括號中的兩個數(shù)字表示中位壽命和最長壽命,根據(jù)培養(yǎng)物分別達(dá)到50%和10%活性天數(shù)計算。
 
(3)Nrd1突變恢復(fù)rho誘導(dǎo)的RLS縮短
圖3:Nrd1突變體中Rho表達(dá)可以恢復(fù)縮短的復(fù)制性壽命(RLS)。
(a) Nrd1溫敏突變體nrd1-51(S16P)和nrd1-102(V379G)的示意圖。Nrd1結(jié)構(gòu)域包括RNA聚合酶II CTD互作域(CID)、Nab3互作域(Nab3)、精氨酸-谷氨酰胺和精氨酸-絲氨酸富含區(qū)域(RE/RS)、RNA識別結(jié)構(gòu)域(RRM)以及脯氨酸和谷氨酰胺富含區(qū)域(P/Q)。
(b) 在YPD培養(yǎng)基板上對nrd1-51和nrd1-102菌株在25、30和37°C下進行生長分析,如圖2a所述。
(c-e) 對野生型(WT)和指示突變體進行RLS分析,這些突變體被轉(zhuǎn)化空載體(c)、pCM189或pCM189-Rho(d, e),如圖1所述。
 
(4)Nrd1的不同截短變體能夠緩解tho2Δ細(xì)胞中的壽命缺陷。
圖4:Nrd1蛋白截短體過表達(dá)顯著恢復(fù)了tho2Δ細(xì)胞中受損的復(fù)制性壽命(RLS)。
(a) Nrd1點突變體和截短體示意圖。
(b、c、f) 如圖1所述,對野生型(WT)和指定突變體進行RLS分析。
(d) 如圖1所述,對WT或tho2Δ菌株轉(zhuǎn)化空載體(pAG425GPD)或表達(dá)指定Nrd1截短變體的質(zhì)粒后進行RLS分析。
(e、h) 如圖1所述,對nrd1Δ或tho2Δ nrd1Δ菌株轉(zhuǎn)化表達(dá)NRD1或nrd1ΔCID的質(zhì)粒后進行RLS分析。(g) 如圖2a所述,在25、30和37°C下對(f)中使用的菌株在YPD平板上進行生長分析。

(5)Nrd1通過Tho2依賴性通路調(diào)控壽命
圖5:Nrd1過表達(dá)以Tho2依賴性方式損害RLS。
 (a) PMA1、PYK1和ADH1基因示意圖。TATA/啟動子(Pro)和ORF分別由黑色和白色框表示。基因下方的條形圖顯示用于ChIP-qPCR分析的PCR產(chǎn)物的相對位置。
 (b) 在表達(dá)TAP標(biāo)記的Nrd1菌株中使用IgG-瓊脂糖珠進行ChIP分析。BY4741(無標(biāo)簽)菌株用作陰性對照。所指示基因的qPCR信號被定量并標(biāo)準(zhǔn)化到內(nèi)部背景對照和input DNA。使用的引物對在(a)中指示。
 (c) 對WT和tho2Δ菌株轉(zhuǎn)化pAG425GPD或pAG425GPD-NRD1(NRD1-OE)進行RLS分析,如圖1所述。
(d) WT和tho2Δ菌株中Nrd1-TAP的ChIP-seq數(shù)據(jù)。餅圖顯示Nrd1峰在WT(左圖)和tho2Δ(右圖)菌株中的啟動子、外顯子、下游和遠(yuǎn)端間隔區(qū)的分布。括號中的數(shù)字表示檢測到的位點數(shù)量。
(e)  在(d)中的Nrd1峰的維恩圖。
 (f) 對WT中Nrd1富集基因的GO富集分析點圖。
(g) 在(d)中的ChIP-seq數(shù)據(jù)的聚類熱圖。通過K-means聚類,將轉(zhuǎn)錄起始位點(TSS)和轉(zhuǎn)錄結(jié)束位點(TES)處顯著富集的Nrd1結(jié)合峰分為三個聚類。括號中的數(shù)字表示檢測到的Nrd1峰數(shù)量。
 (h) 在(g)中的ChIP reads密度分布。剖面圖顯示了每個聚類的平均ChIP信號。
 (i) 在(g)中基因的GO富集分析。條形圖表示每個聚類的GO生物過程的倍數(shù)富集。
 (j) 綜合基因組學(xué)瀏覽器(IGV)截圖顯示tho2Δ增加(紅色)或減少(藍(lán)色)Nrd1招募的水平。從WT中的IP/INPUT峰值比率中減去tho2Δ中的峰值比率,以說明在指定基因中觀察到的變化。

(6)與翻譯和核轉(zhuǎn)運相關(guān)的基因在tho2Δ和衰老細(xì)胞中均下調(diào)

圖6:在酵母細(xì)胞中,Tho2蛋白缺失與衰老細(xì)胞之間mRNA表達(dá)譜比較。
(a) 火山圖顯示tho2Δ菌株與野生型(WT)相比差異表達(dá)的基因。
(b) 對先前的RNA-seq實驗(Hendrickson等人,2018年)中的衰老細(xì)胞基因進行GO富集分析,并在(a)中展示。通過過濾數(shù)據(jù)(p值≤0.05和|倍數(shù)變化|>1),獲取了衰老細(xì)胞與年輕細(xì)胞相比差異表達(dá)的基因列表。條形圖表示在上調(diào)(紅色)或下調(diào)(藍(lán)色)基因中前11個GO生物過程術(shù)語的富集倍數(shù)。
(c) Nrd1 ChIP讀取密度分布,顯示了與WT相比,tho2Δ菌株中差異表達(dá)的基因。對于上調(diào)和下調(diào)基因的分析(分別是上圖和下圖),通過過濾數(shù)據(jù)(p值≤0.05和|倍數(shù)變化|>2),分別獲取了145個和182個基因。
(d) 對(c)中上調(diào)(紅色)或下調(diào)(藍(lán)色)基因的GO分析,如(a)中所述。
(e) IGV(綜合基因組學(xué)瀏覽器)截圖,顯示了tho2Δ改變了Nrd1的招募水平,如圖5J所述。
(f–h) 對衰老細(xì)胞(Hendrickson等人,2018年)中差異表達(dá)基因的Nrd1結(jié)合峰進行聚類分析,這些基因在WT和tho2Δ菌株中的Nrd1占據(jù)情況。熱圖(f)、密度剖面圖(g)和GO分析(h)是K-means聚類比對 reads位置結(jié)果。
(i) Tho2在調(diào)控復(fù)制性壽命(RLS)中作用的示意圖。tho2缺失未能防止Nrd1的過度招募,導(dǎo)致與翻譯相關(guān)的基因表達(dá)下降,進而導(dǎo)致RLS減少。
 
(7)參與翻譯和RNA加工的基因亞群是Tho2和Nrd1的靶標(biāo)

圖7:衰老細(xì)胞中Nrd1結(jié)合基因與差異表達(dá)基因的比較分析。
(a) 在衰老細(xì)胞中,Nrd1結(jié)合基因與上調(diào)(紅色)或下調(diào)(藍(lán)色)基因重疊的GO分析,如圖6b所示。條形圖顯示了在ORF或3′UTR中結(jié)合位點的Nrd1結(jié)合基因的前七個GO生物過程的倍數(shù)富集。如果Nrd1在這些區(qū)域有結(jié)合位點,那么這些基因在衰老細(xì)胞中的表達(dá)變化可能與Nrd1結(jié)合有關(guān)。
(b) (a)中顯示的Nrd1結(jié)合基因的維恩圖。中間的表格顯示了Nrd1在ORF和3′-UTR或僅在3′-UTR結(jié)合的代表性基因,以及它們與相鄰基因的長度和距離。


圖8:tho2Δ細(xì)胞中Nrd1結(jié)合基因與差異表達(dá)基因的比較。
(a) Nrd1結(jié)合基因表達(dá)由tho2Δ上調(diào)(紅色)或下調(diào)(藍(lán)色)的前八到九個GO分析,如圖7a所示。這些基因在tho2Δ細(xì)胞中的表達(dá)水平與野生型細(xì)胞相比有顯著變化,并且這些變化的基因與Nrd1的結(jié)合位點有關(guān)。
(b) (a)中顯示的Nrd1結(jié)合基因的Venn圖分析,如圖7b所示。確定哪些基因僅在tho2Δ細(xì)胞中上調(diào)或下調(diào),哪些基因同時在tho2Δ和其他條件下也有差異表達(dá),以及哪些基因不受tho2Δ影響。

參考文獻(xiàn):
Liu Y, Park JM, Lim S, Duan R, Lee DY, Choi D, Choi DK, Rhie BH, Cho SY, Ryu HY, Ahn SH. Tho2-mediated escort of Nrd1 regulates the expression of aging-related genes. Aging Cell. 2024 May 20:e14203. doi: 10.1111/acel.14203. PubMed PMID: 38769776.
來源:深圳市易基因科技有限公司
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標(biāo)簽: DNA甲基化
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