Defining the SATB1-dependent 3D chromatin structure in CD4+ cells

Abstract

The understanding of mechanisms behind gene expression regulation constitutes a primary objective of modern biology. Human health is largely dependent on the proper function of the immune system. An essential part of it is represented by T lymphocytes which exist in various forms with different functionalities. The enormous flexibility and plasticity of T cell development is determined by a complex interplay of many transcriptional programs and therefore T cells serve as a good model to study transcriptional regulation. In this work we investigated the regulatory processes involved in transcriptional control of developing T cells. We described the 3D regulatory chromatin network and identified its key mediator, a tissue-specific protein SATB1. Our findings unravel the function of SATB1 that controls transcription programs via at least three different mechanisms. The tight regulation of different SATB1 protein isoform levels and their post-translational modifications are imperative for SATB1’s phase transitions associated with transcription and splicing. Cooperation of SATB1 and non-coding RNA Xist is decisive for female T cell-specific transcriptional regulation of X-linked immune-related genes. Their concerted action also represents a novel complementary mechanism contributing to silencing of the immunoglobulin gene loci in T cells and proper rearrangements of the T cell receptor. The latter is additionally based upon a promoter-enhancer 3D chromatin network directly mediated by SATB1. The regulatory SATB1 loops represent a refined layer of genome organization built upon a high-order structural scaffold established by conventional genome organizers such as CTCF. Apart from the T cell receptor locus, SATB1-mediated regulatory chromatin loops control expression of receptor and master regulator genes (such as Bcl6), collectively being critical for cell lineage specification and immune system homeostasis. The regulatory consequences of SATB1 roles in T cells were implied from Satb1fl/flCd4-Cre+ conditional knockout animals. They had vastly deregulated transcription and splicing, resulting in severe physiological aberrations resembling autoimmunity. Our data provide molecular mechanisms to explain the autoimmune phenotype of knockout animals. The described principles and regulatory mechanisms may be useful in conquering numerous human disorders including autoimmune diseases and cancer.

Η κατανόηση των μηχανισμών που ενέχονται στη ρύθμιση της γονιδιακής έκφρασης αποτελεί πρωταρχικό στόχο της σύγχρονης Β ιολογίας. Η ανθρώπινη υγεία εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη σωστή λειτουργία του ανοσοποιητικού συστήματος. Ένα ουσιαστικό μέρος του αντιπροσωπεύεται από τα Τ λεμφοκύτταρα που υπάρχουν σε διάφορες μορφές και με διαφορετικές λειτουργίες. Η τεράστια ευελιξία και πλαστικότητα της ανάπτυξης των Τ λεμφο κυττάρων καθορίζεται από μια πολύπλοκη αλληλεπίδραση πολλών μεταγραφικών προγραμμάτων και επομένως τα Τ λεμφο κύτταρα χρησιμεύουν ως ένα καλό μοντέλο για τη μελέτη των μηχανισμών της μεταγραφικής ρύθμισης. Σε αυτή την εργασία διερευνήσαμε τις ρυθμιστικές διαδικασίες που εμπλέκονται στον μεταγραφικό έλεγχο των αναπτυσσόμενων Τ λεμφο κυττάρων. Περιγράψαμε το τρισδιάστατο ρυθμιστικό δίκτυο χρωματίνης και προσδιορίσαμε τον βασικό μεσολαβητή του, την ιστοειδική πρωτεΐνη SATB1. Τα ευρήματά μας αποκαλύπτουν τη λειτουργία της SATB1 που ελέγχει τα προγράμματα μεταγραφής μέσω τουλάχιστον τριών διαφορετικών μηχανισμών. Η αυστηρή ρύθμιση των διαφορετικών ισομορφών της πρωτεΐνης SATB1 και οι μετα-μεταφραστικές τροποποιήσεις τους είναι απαραίτητη για το διαχωρισμό φάσεων της SATB1 που σχετίζονται με τη μεταγραφή και το μάτισμα. Η συνεργασία της SATB1 και του μη κωδικοποιητικού RNA Xist είναι αποφασιστικής σημασίας για τη μεταγραφική ρύθμιση των γονιδίων που εδράζονται στο Χ χρωμόσωμα στα θηλυκά άτομα. Η συντονισμένη δράση τους αντιπροσωπεύει επίσης έναν νέο συμπληρωματικό μηχανισμό που συμβάλλει στη σίγηση των θέσεων των γονιδίων ανοσοσφαιρινών στα Τ λεμφο κύτταρα και στις σωστές αναδιατάξεις του υποδοχέα των Τ λεμφο κυττάρων. Το τελευταίο βασίζεται επιπλέον σε ένα δίκτυο τρισδιάστατης χρωματίνης υποκινητή-ενισχυτή που διαμεσολαβείται άμεσα από τη SATB1. Οι ρυθμιστικοί βρόχοι που διαμεσολαβούνται από τη SATB1 αντιπροσωπεύουν ένα εκλεπτυσμένο επίπεδο γονιδιωματικής οργάνωσης που βασίζεται σε ένα δομικό ικρίωμα υψηλής τάξης που δημιουργήθηκε από συμβατικούς γονιδιωματικού οργανωτές όπως η CTCF. Εκτός από τη θέση του υποδοχέα των Τ κυττάρων, οι ρυθμιστικοί βρόχοι χρωματίνης που διαμεσολαβούνται από SATB1 ελέγχουν την έκφραση των γονιδίων του υποδοχέα και σημαντικών μεταγραφικών ρυθμιστών (όπως το Bcl6), συλλογικά κρίσιμα για τ ον καθορισμό της κυτταρικής γενεαλογίας και της ομοιόστασης του ανοσοποιητικού συστήματος. Οι ρυθμιστικές συνέπειες των ρόλων της SATB1 στα Τ λεμφο κύτταρα μελετήθηκαν σε γενετικά τροποποιημένα ζώα Satb1fl/flCd4-Cre+. Είχαν σε μεγάλο βαθμό απορυθμισμένη μεταγραφή και μάτισμα, με αποτέλεσμα σοβαρές φυσιολογικές εκτροπές που ο μοιάζουν με αυτοανοσία. Τα δεδομένα μας παρέχουν μοριακούς μηχανισμούς για να εξηγήσουν τον αυτοάνοσο φαινότυπο των τροποιημένωντ ζώων. Οι περιγραφόμενες αρχές και οι ρυθμιστικοί μηχανισμοί μπορεί να είναι χρήσιμοι για την καταπολέμηση πολυάριθμων ανθρώπινων διαταραχών συμπεριλαμβανομένω ν των αυτοάνοσων ασθενειών και του καρκίνου.