Changes in the availability of chromatin related to the induction of gene expression, on the example of data from ENCODE

The glucocorticoid receptor GR is involved in the stress response. It activates and inhibits the expression of many genes in the body. Promoters and enhancers are transcriptional regulatory elements. The interaction of enhancers with promoters by creating a loop increases the likelihood of the target gene expression. Hormone-bound GR is activated and translocated to the nucleus, where it regulates gene expression by binding to enhancers and promoters. It may also recruit other transcription factors, including EP300 histone acetyltransferase. However, little is known about how enhancer remodeling changes over time after GR induction and how this process is related to changes in gene expression levels. In this study, an analysis of RNA-Seq and ChIP-seq data from the ENCODE project was performed. The data provides information on the gene expression and protein binding at 12-time points for the epithelial-like cell line (A549). The obtained results indicate that the most intense binding of GR in enhancers occurs first, followed by the histone modification (H3K27ac and H3K4me1), while the most rapid changes in the level of the expression through at least two distinct mechanisms. First, genes are activated by the binding of a receptor in regulatory elements. Then, under the impact of GR, there is a reconstruction in the chromatin structure. Which leads to further gene activation. If the cells were to be treated repeatedly with glucocorticoids, it would lead to different cellular responses due to the availability of new sites allowing binding to GR. In the longer term, this phenomenon could lead to such a complex process as cell differentiation.

Receptor glikokortykoidowy GR uczestniczy w odpowiedzi na stres oraz aktywuje i hamuje poziom ekspresji wielu genów w organizmie. Promotory i enhancery to elementy regulatorowe transkrypcji. Interakcja enhancerów z promotorami poprzez wytworzenie pętli zwiększa prawdopodobieństwo zajścia ekspresji docelowego genu. GR związany z hormonem ulega aktywacji i translokacji do jądra, gdzie reguluje ekspresję genów poprzez przyłączanie się w enhancerach i promotorach. Odpowiada również za rekrutację innych czynników transkrypcyjnych, w tym acetylotransferazy histonowej EP300. Słabo jednak jest poznany sposób zmian przebudowy enhancerów w czasie po indukcji GR oraz jak ten proces jest powiązany ze zmianami poziomu ekspresji genów. W niniejszej pracy wykonano analizę danych RNA-Seq i ChIP-seq z projektu ENCODE. Wykorzystane dane zawierają informację na temat poziomu ekspresji genów i przyłączaniu się białek w 12 punktach czasowych dla linii komórkowej podobnej do nabłonka (A549). Uzyskane wyniki wskazują, że najpierw dochodzi do największego wiązania się GR w enhancerach, następnie obserwuje się występowanie badanych modyfikacji histonów (H3K27ac i H3K4me1), natomiast największe zmiany w poziomie ekspresji genów zbiegają się gdy przyłączanie się EP300 jest największe. Sugeruje to, że GR odpowiada za przynajmniej dwie drogi aktywacji genów. Najpierw dochodzi do aktywacji genów wywołanych przyłączaniem się receptora w elementach regulatorowych. Następnie pod wpływem GR dochodzi do przebudowy w strukturze chromatyny. Zmiana konformacji byłaby zjawiskiem pobudzającym do dalszej aktywacji genów. W przypadku kolejnych traktowań komórek glikokortykoidami prowadziłoby do innych odpowiedzi komórek, w wyniku dostępności nowych miejsc pozwalających na wiązanie się z GR. W dłuższym przedziale czasowym takie zjawisko mogłoby prowadzić do tak skomplikowanego procesu, jakim jest różnicowanie się komórek.