CRISPR/DCASベースのエピゲノーム編集と遺伝子活性化におけるH3K27アセチル化とH3K4トリメチル化の間のクロストークの調査

エピゲノーム編集方法により、生物学的機能を明らかにするために、ヒストン転写後修飾（PTM）などのエピジェネティックな修飾の正確な操作を可能にします。ヒストンPTMは特定の遺伝子発現状態と相関していますが、因果関係はとらえどころのないままです。ヒストンH3リジン27アセチル化（H3K27AC）およびヒストンH3リジン4トリメチル化（H3K4ME3）はどちらも活性遺伝子に関連しており、活性プロモーターとエンハンサー、または転写開始部位（TSS）に位置しています。ヒストンリジンアセチル化とH3K4ME3の間のクロストークは報告されていますが、転写活性化中の特定のエピジェネティックマーク間の関係はほとんど不明のままです。ここでは、クラスター化された定期的に相互散在する短パリンドロミックリピート（CRISPR）/DCASベースのエピゲノム編集方法を使用して、プロモーター領域でのH3K27ACの異所性の導入により、TSSおよび転写活性化の周りのH3K4ME3濃縮につながることがわかりました。H3K27ACは増加し、遺伝子発現を活性化できませんでした。阻害剤JQ1を使用したBRDタンパク質によるH3K27ACの読み取りをブロックすると、H3K27AC誘導H3K4ME3の設置と下流の遺伝子活性化が廃止されました。さらに、BRD4ではなくBRD2がH3K4ME3の設置とH3K27ACの執筆時に遺伝子活性化を媒介することを明らかにしました。我々の研究により、遺伝子活性化プロセスにおけるH3K27ACとH3K4ME3の関係が明らかになり、エピジェネティックなメカニズム間のクロストークを解明する際のCRISPR/DCASベースのエピゲノーム編集方法の適用が実証されました。

Epigenome editing methods enable the precise manipulation of epigenetic modifications, such as histone posttranscriptional modifications (PTMs), for uncovering their biological functions. While histone PTMs have been correlated with certain gene expression status, the causalities remain elusive. Histone H3 Lysine 27 acetylation (H3K27ac) and histone H3 Lysine 4 trimethylation (H3K4me3) are both associated with active genes, and located at active promoters and enhancers or around transcriptional start sites (TSSs). Although crosstalk between histone lysine acetylation and H3K4me3 has been reported, relationships between specific epigenetic marks during transcriptional activation remain largely unclear. Here, using clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR)/dCas-based epigenome editing methods, we discovered that the ectopic introduction of H3K27ac in the promoter region lead to H3K4me3 enrichment around TSS and transcriptional activation, while H3K4me3 installation at the promoter cannot induce H3K27ac increase and failed to activate gene expression. Blocking the reading of H3K27ac by BRD proteins using inhibitor JQ1 abolished H3K27ac-induced H3K4me3 installation and downstream gene activation. Furthermore, we uncovered that BRD2, not BRD4, mediated H3K4me3 installation and gene activation upon H3K27ac writing. Our studies revealed the relationships between H3K27ac and H3K4me3 in gene activation process and demonstrated the application of CRISPR/dCas-based epigenome editing methods in elucidating the crosstalk between epigenetic mechanisms.