遺伝子発現における転写因子の機能的活性を動的に調査するエピジェネティックなDNAメチル化の分析方法

背景：DNAメチル化は、エピジェネティック修飾の基本的な成分であり、遺伝子発現の調節に密接に関与しています。1つの重要なDNAメチル化経路は、転写因子の能力を低下させ、遺伝子プロモーター領域に結合します。多くの実験は、高解像度でゲノム全体のDNAメチル化レベルを測定するために設計されていますが、転写因子結合能力に関するこれらの異なるDNAメチル化レベルの意味は、あまり理解されていません。したがって、DNAメチル化レベルが特定の転写因子の結合を大幅に削減または廃止できる範囲を定量的に調査する方法を開発しました。この方法により、遺伝子発現で機能的に活性な転写因子を調査することができます。 結果：この方法は、内因性成分特性に基づいたDNAメチル化と転写因子結合能力の関係を描写する一般的なモデルに基づいており、モデルパラメーターは、認識された転写因子結合状態と遺伝子発現プロファイリングの相対的な分析を通じて最適化できます。固定されたモデルでは、遺伝子発現の調節に機能的に活性化され、エピジェネティックなDNAメチル化によって影響を受ける転写因子を特定し、その後確認できます。この方法では、SH-SY5Y神経芽細胞腫細胞で明らかに機能的に活性な転写因子を特定しました。 結論：遺伝子調節要素と比較して、エピジェネティックな修正は、物理的、生物学的、社会的環境からのシグナルに動的に応答するために変化することができます。したがって、提案された方法は、機能的に活性な転写因子を調査するための動的評価を提供するように設計されています。この方法から推定された情報を使用すると、プロモーター領域の転写因子結合状態を予測して、特定のパターンで組織された転写因子の特定のグループによって特定の遺伝子がどのように調節されるかをさらに調査できます。これは、癌を含む多くの疾患の治療の診断と開発に役立ちます。この方法はDNAメチル化のみを調査しますが、ヒストン修飾などのよりエピジェネティックな要因に適用される可能性があります。

BACKGROUND: DNA methylation is a fundamental component of epigenetic modification, which is intimately involved in the regulation of gene expression. One important DNA methylation pathway reduces the abilities of transcription factors to bind to gene promoter regions. Although many experiments have been designed to measure genome-wide DNA methylation levels at high resolution, the meaning of these different DNA methylation levels on transcription factor binding abilities remains poorly understood. We have, therefore, developed a method to quantitatively explore the extent to which DNA methylation levels can significantly reduce or even abolish the binding of certain transcription factors, resulting in reduced or non-expression of flanking genes. This method allows transcription factors that are functionally active in gene expression to be investigated. RESULTS: The method is based on a general model that depicts the relationship between DNA methylation and transcription factor binding ability based on intrinsic component properties, and the model parameters can be optimized through relative analysis of recognized transcription factor binding status and gene expression profiling. With fixed models, transcription factors functionally active in the regulation of gene expression and affected by epigenetic DNA methylation can be identified and subsequently confirmed. The method identified eleven apparently functionally active transcriptional factors in SH-SY5Y neuroblastoma cells. CONCLUSIONS: Compared with gene regulatory elements, epigenetic modifications are able to change to dynamically respond to signals from physical, biological and social environments. Our proposed method is therefore designed to provide a dynamic assessment to investigate functionally active transcription factors. With the information deduced from our method, we can predict transcription factor binding status in promoter regions to further investigate how a particular gene is regulated by a specific group of transcription factors organized in a particular pattern. This will be helpful in the diagnosis and development of treatment for numerous diseases, including cancer. Although the method only investigates DNA methylation, it has the potential to be applied to more epigenetic factors, such as histone modification.