WGBS+ChIP-seq技術揭示Cdx2轉錄因子在發(fā)育與穩(wěn)態(tài)中的動態(tài)結合機制
Cdx2是一個關鍵的轉錄因子，在小鼠腸道上皮細胞的發(fā)育過程中起著決定性的作用。它在胚胎期和成年期的腸道上皮細胞中都有表達，但其結合的基因組位點在發(fā)育和成年期有所不同。DNA甲基化是一種表觀遺傳修飾，通常與基因沉默相關。然而，某些轉錄因子（如Cdx2）可能更傾向于結合甲基化的DNA序列。轉錄因子通過結合發(fā)育階段特異性的靶點并建立合適的增強子景觀來引導組織發(fā)育。而DNA序列和染色質修飾會指導轉錄因子的基因組結合。然而，轉錄因子如何在染色質特征中導航以選擇性地結合所有可能的基因組靶位點的一個小子集，仍然知之甚少。
近日，美國南加州大學Unmesh Jadhav團隊研究了轉錄因子Cdx2在發(fā)育和穩(wěn)態(tài)過程中如何通過不同機制與基因組不同位點結合，以及這種結合如何受到DNA甲基化和染色質修飾的調控。研究利用小鼠腸道上皮細胞作為模型系統(tǒng)，通過多種實驗方法揭示了Cdx2結合的動態(tài)變化及其對基因表達的調控機制。其中，WGBS（全基因組重亞硫酸鹽測序）和ChIP-seq（染色質免疫沉淀測序）在本研究中發(fā)揮了關鍵作用。相關研究成果以《Motif distribution and DNA methylation underlie distinct Cdx2 binding during development and homeostasis》發(fā)表于Nature子刊《Nature Communications》。
影響因子： IF 14.7 / Q1
技術平臺：CUT&RUN、WGBS、ChIP-seq等
本研究結果揭示Cdx2作為一種在發(fā)育中的腸道上皮細胞與成年腸道上皮細胞中結合不同靶點的譜系決定性轉錄因子，在體內對一種含有CpG的非典型motif具有優(yōu)先親和力。這種motif在胚胎期Cdx2靶點的高頻率出現(xiàn)以及CpG在發(fā)育過程中的甲基化狀態(tài)，使Cdx2能夠選擇性地結合并激活發(fā)育增強子和基因。在成體細胞中，這些增強子的去甲基化抑制Cdx2異位結合，將Cdx2誘導至其不含CpG的經(jīng)典motif。這種Cdx2結合轉變促進了Ctcf和Hnf4的招募，分別在發(fā)育過程中建立超級增強子和在成體細胞中建立穩(wěn)態(tài)增強子。在成年小鼠上皮細胞或培養(yǎng)細胞中誘導的DNA甲基化會將Cdx2招募到發(fā)育靶點，從而促進伙伴轉錄因子的共招募。因此，Cdx2對CpG motif的不同偏好使其能夠介導不同的DNA甲基化譜，激活特定于適當發(fā)育階段的基因。
研究方法：
CUT&RUN：檢測轉錄因子Cdx2在胚胎期（E12.5、E16.5）和成年期小鼠腸道上皮細胞中的結合位點。
WGBS：分析DNA甲基化狀態(tài)。通過亞硫酸鹽處理，將未甲基化的胞嘧啶轉化為尿嘧啶，從而區(qū)分甲基化和未甲基化的CpG位點。
ChIP-seq：檢測特定轉錄因子（如Cdx2、Ctcf和Hnf4a）的基因組結合位點，以及組蛋白修飾（如H3K27me3、H3K27ac）分布。
結果圖形：
（1）Cdx2結合位點的動態(tài)變化
Cdx2在胚胎期（E12.5和E16.5）和成年期小鼠腸道上皮細胞中的結合位點存在顯著差異。胚胎期結合位點更多分布在啟動子區(qū)域（24%），而成年期結合位點則主要分布在增強子區(qū)域（＞87%）。這種從啟動子到增強子的結合模式轉變反映了Cdx2在不同發(fā)育階段的功能變化。Cdx2在胚胎期通過結合啟動子區(qū)域激活關鍵的發(fā)育基因（如Sox4和Meis1），而在成年期則通過結合增強子區(qū)域維持組織的穩(wěn)態(tài)功能（如Krt19和Fabp2）。
（2）Cdx2結合motif偏好性
Cdx2在胚胎期更傾向于結合含有CpG的非典型motif（ATAAA + CpG），而在成年期則更傾向于結合不含CpG的經(jīng)典motif（ATAAA）。這種motif偏好性使Cdx2能夠在不同的發(fā)育階段選擇性地結合到不同的基因組位點。而Cdx2結合的CpG含有motif在胚胎期通常處于甲基化狀態(tài)，進而促進Cdx2的結合和基因激活。而在成年期，這些位點的去甲基化阻止了Cdx2的結合，從而避免了異位結合。
圖2：Cdx2發(fā)育結合位點中CpG含量高的Cdx2 motif顯著富集
（3）Cdx2結合與染色質修飾的協(xié)同作用
Cdx2通過結合不同motif，能夠招募Ctcf和Hnf4a到不同的基因組位點。在胚胎期，Cdx2通過結合CpG motif招募Ctcf，形成超級增強子（super-enhancers），激活發(fā)育相關基因。在成年期，Cdx2通過結合經(jīng)典motif招募Hnf4a，形成穩(wěn)態(tài)增強子（homeostatic enhancers），維持組織功能。Cdx2結合位點在胚胎期通常具有較高的染色質可及性，而在成年期則需要通過去甲基化等機制來調控染色質狀態(tài)，從而實現(xiàn)基因表達調控。
圖3：Cdx2通過引導Ctcf招募促進成年穩(wěn)態(tài)超級增強子形成
（4）DNA甲基化對Cdx2結合的影響
通過Eed基因敲除或GSK-3484862抑制劑誘導DNA甲基化變化，研究發(fā)現(xiàn)這種變化能夠重新招募Cdx2到發(fā)育期的靶位點，從而激活發(fā)育期的基因表達。在成年期，通過誘導DNA甲基化，Cdx2能夠重新結合到發(fā)育期的靶位點，這表明Cdx2的結合受到DNA甲基化狀態(tài)的調控。這種甲基化依賴性結合使得Cdx2能夠在不同的發(fā)育階段和穩(wěn)態(tài)條件下，通過結合不同的基因組位點來調控基因表達。
圖4：PRC2失活導致增強子區(qū)域DNA甲基化增加，從而招募Cdx2
圖5：成體細胞中Cdx2結合變化恢復了發(fā)育中的Ctcf招募
易小結
本文通過綜合運用CUT&RUN、WGBS和ChIP-seq等技術，揭示了Cdx2在腸道上皮細胞發(fā)育和穩(wěn)態(tài)過程中如何通過不同的機制結合到基因組的不同位點，并受到DNA甲基化和染色質修飾的調控。這些發(fā)現(xiàn)不僅增進了我們對Cdx2在腸道發(fā)育和穩(wěn)態(tài)中的作用的理解，還為研究其他轉錄因子在不同發(fā)育階段的功能提供了新的視角。
WGBS和ChIP-seq在本研究中發(fā)揮了至關重要的作用。WGBS揭示了Cdx2結合位點的DNA甲基化動態(tài)變化，而ChIP-seq則精確地定位了Cdx2的結合位點，并分析了其與其他轉錄因子的協(xié)同作用。這兩種技術的結合，使得研究能夠深入理解Cdx2在發(fā)育和穩(wěn)態(tài)過程中如何通過DNA甲基化和染色質修飾來調控基因表達。
參考文獻：
Lorzadeh A, Ye G, Sharma S, Jadhav U. Motif distribution and DNA methylation underlie distinct Cdx2 binding during development and homeostasis. Nat Commun. 2025 Jan 22;16(1):929. pii: 10.1038/s41467-025-56187-0. doi: 10.1038/s41467-025-56187-0.
近日，美國南加州大學Unmesh Jadhav團隊研究了轉錄因子Cdx2在發(fā)育和穩(wěn)態(tài)過程中如何通過不同機制與基因組不同位點結合，以及這種結合如何受到DNA甲基化和染色質修飾的調控。研究利用小鼠腸道上皮細胞作為模型系統(tǒng)，通過多種實驗方法揭示了Cdx2結合的動態(tài)變化及其對基因表達的調控機制。其中，WGBS（全基因組重亞硫酸鹽測序）和ChIP-seq（染色質免疫沉淀測序）在本研究中發(fā)揮了關鍵作用。相關研究成果以《Motif distribution and DNA methylation underlie distinct Cdx2 binding during development and homeostasis》發(fā)表于Nature子刊《Nature Communications》。
標題：Motif distribution and DNA methylation underlie distinct Cdx2 binding during development and homeostasis（motif分布和DNA甲基化是發(fā)育和穩(wěn)態(tài)過程中 Cdx2動態(tài)結合的基礎）
期刊：Nature Communications影響因子： IF 14.7 / Q1
技術平臺：CUT&RUN、WGBS、ChIP-seq等
本研究結果揭示Cdx2作為一種在發(fā)育中的腸道上皮細胞與成年腸道上皮細胞中結合不同靶點的譜系決定性轉錄因子，在體內對一種含有CpG的非典型motif具有優(yōu)先親和力。這種motif在胚胎期Cdx2靶點的高頻率出現(xiàn)以及CpG在發(fā)育過程中的甲基化狀態(tài)，使Cdx2能夠選擇性地結合并激活發(fā)育增強子和基因。在成體細胞中，這些增強子的去甲基化抑制Cdx2異位結合，將Cdx2誘導至其不含CpG的經(jīng)典motif。這種Cdx2結合轉變促進了Ctcf和Hnf4的招募，分別在發(fā)育過程中建立超級增強子和在成體細胞中建立穩(wěn)態(tài)增強子。在成年小鼠上皮細胞或培養(yǎng)細胞中誘導的DNA甲基化會將Cdx2招募到發(fā)育靶點，從而促進伙伴轉錄因子的共招募。因此，Cdx2對CpG motif的不同偏好使其能夠介導不同的DNA甲基化譜，激活特定于適當發(fā)育階段的基因。
研究方法：
CUT&RUN：檢測轉錄因子Cdx2在胚胎期（E12.5、E16.5）和成年期小鼠腸道上皮細胞中的結合位點。
WGBS：分析DNA甲基化狀態(tài)。通過亞硫酸鹽處理，將未甲基化的胞嘧啶轉化為尿嘧啶，從而區(qū)分甲基化和未甲基化的CpG位點。
ChIP-seq：檢測特定轉錄因子（如Cdx2、Ctcf和Hnf4a）的基因組結合位點，以及組蛋白修飾（如H3K27me3、H3K27ac）分布。
結果圖形：
（1）Cdx2結合位點的動態(tài)變化
Cdx2在胚胎期（E12.5和E16.5）和成年期小鼠腸道上皮細胞中的結合位點存在顯著差異。胚胎期結合位點更多分布在啟動子區(qū)域（24%），而成年期結合位點則主要分布在增強子區(qū)域（＞87%）。這種從啟動子到增強子的結合模式轉變反映了Cdx2在不同發(fā)育階段的功能變化。Cdx2在胚胎期通過結合啟動子區(qū)域激活關鍵的發(fā)育基因（如Sox4和Meis1），而在成年期則通過結合增強子區(qū)域維持組織的穩(wěn)態(tài)功能（如Krt19和Fabp2）。
圖1：Cdx2結合在基因啟動子和增強子上的變化支持腸道上皮中的發(fā)育和穩(wěn)態(tài)功能
（2）Cdx2結合motif偏好性
Cdx2在胚胎期更傾向于結合含有CpG的非典型motif（ATAAA + CpG），而在成年期則更傾向于結合不含CpG的經(jīng)典motif（ATAAA）。這種motif偏好性使Cdx2能夠在不同的發(fā)育階段選擇性地結合到不同的基因組位點。而Cdx2結合的CpG含有motif在胚胎期通常處于甲基化狀態(tài)，進而促進Cdx2的結合和基因激活。而在成年期，這些位點的去甲基化阻止了Cdx2的結合，從而避免了異位結合。
圖2：Cdx2發(fā)育結合位點中CpG含量高的Cdx2 motif顯著富集
（3）Cdx2結合與染色質修飾的協(xié)同作用
Cdx2通過結合不同motif，能夠招募Ctcf和Hnf4a到不同的基因組位點。在胚胎期，Cdx2通過結合CpG motif招募Ctcf，形成超級增強子（super-enhancers），激活發(fā)育相關基因。在成年期，Cdx2通過結合經(jīng)典motif招募Hnf4a，形成穩(wěn)態(tài)增強子（homeostatic enhancers），維持組織功能。Cdx2結合位點在胚胎期通常具有較高的染色質可及性，而在成年期則需要通過去甲基化等機制來調控染色質狀態(tài)，從而實現(xiàn)基因表達調控。
圖3：Cdx2通過引導Ctcf招募促進成年穩(wěn)態(tài)超級增強子形成
（4）DNA甲基化對Cdx2結合的影響
通過Eed基因敲除或GSK-3484862抑制劑誘導DNA甲基化變化，研究發(fā)現(xiàn)這種變化能夠重新招募Cdx2到發(fā)育期的靶位點，從而激活發(fā)育期的基因表達。在成年期，通過誘導DNA甲基化，Cdx2能夠重新結合到發(fā)育期的靶位點，這表明Cdx2的結合受到DNA甲基化狀態(tài)的調控。這種甲基化依賴性結合使得Cdx2能夠在不同的發(fā)育階段和穩(wěn)態(tài)條件下，通過結合不同的基因組位點來調控基因表達。
圖4：PRC2失活導致增強子區(qū)域DNA甲基化增加，從而招募Cdx2
圖5：成體細胞中Cdx2結合變化恢復了發(fā)育中的Ctcf招募
圖6：直接抑制DNA甲基化導致Cdx2結合喪失，而結合位點的再甲基化則允許其招募
易小結
本文通過綜合運用CUT&RUN、WGBS和ChIP-seq等技術，揭示了Cdx2在腸道上皮細胞發(fā)育和穩(wěn)態(tài)過程中如何通過不同的機制結合到基因組的不同位點，并受到DNA甲基化和染色質修飾的調控。這些發(fā)現(xiàn)不僅增進了我們對Cdx2在腸道發(fā)育和穩(wěn)態(tài)中的作用的理解，還為研究其他轉錄因子在不同發(fā)育階段的功能提供了新的視角。
WGBS和ChIP-seq在本研究中發(fā)揮了至關重要的作用。WGBS揭示了Cdx2結合位點的DNA甲基化動態(tài)變化，而ChIP-seq則精確地定位了Cdx2的結合位點，并分析了其與其他轉錄因子的協(xié)同作用。這兩種技術的結合，使得研究能夠深入理解Cdx2在發(fā)育和穩(wěn)態(tài)過程中如何通過DNA甲基化和染色質修飾來調控基因表達。
參考文獻：
Lorzadeh A, Ye G, Sharma S, Jadhav U. Motif distribution and DNA methylation underlie distinct Cdx2 binding during development and homeostasis. Nat Commun. 2025 Jan 22;16(1):929. pii: 10.1038/s41467-025-56187-0. doi: 10.1038/s41467-025-56187-0.
標簽：
DNA甲基化
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