Impact of Chromatin 3D-Organization on Promoter–Superenhancer Interactions in Embryonic Stem vs Cancer Cells

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The interaction of enhancers and superenhancers (SE) with promoters is functionally significant for the regulation of gene expression. Pattern of these interactions plays a key role in various processes, such as differentiation, malignant transformation, etc. In order to quantify the relationship between 3D chromatin organization and promoter–SE contacts, a computational analysis of chromatin conformations near the murine Nanog pluripotency gene was performed for normal embryonic stem (mESC) and lymphoma (CH12LX) cells. Using biophysical modeling approach, the following parameters of the promoter–SE interactions were identified: the distribution of distances between the Nanog promoter and the SEs, the frequency of contacts with one and several SEs simultaneously. In normal mESC expressing Nanog, the frequency of contacts of promoters with SEs is higher than in cancer cells, and complex contacts with two or more SEs are more frequent. The modelling reveals a small subpopulation of cancer cells, where the promoter contacts simultaneously three SEs. The predicted subpopulation of cancer cells with multiple promoter–SE contacts may be predisposed to increased stemness and hypothetically be considered as a reservoir for generation of cancer stem cells.

About the authors

Yu. A. Eidelman

Emanuel Institute of Biochemical Physics, Russian Academy of Sciences; National Research Nuclear University “MEPHI”

Author for correspondence.
Email: eidel@mail.ru
Russia, 119334, Moscow; Russia, 115409, Moscow

S. G. Andreev

Emanuel Institute of Biochemical Physics, Russian Academy of Sciences; National Research Nuclear University “MEPHI”

Author for correspondence.
Email: andreev_sg@mail.ru
Russia, 119334, Moscow; Russia, 115409, Moscow

References

  1. Hnisz D., Abraham B.J., Lee T.I. et al. Super-enhancers in the control of cell identity and disease // Cell. 2013. V. 155. № 4. P. 934–947. https://doi.org/10.1016/j.cell.2013.09.053
  2. Dekker J., Rippe K., Dekker M., Kleckner N. Capturing chromosome conformation // Science. 2002. V. 295. № 5558. P. 1306–1311.https://doi.org/10.1126/science.1067799
  3. Lieberman-Aiden E., van Berkum N.L., Williams L. et al. Comprehensive mapping of long-range interactions reveals folding principles of the human genome // Science. 2009. V. 326. № 5950. P. 289–293. https://doi.org/10.1126/science.1181369
  4. Zhang B., Wolynes P.G. Topology, structures, and energy landscapes of human chromosomes // Proc. Natl Acad. Sci. USA. 2015. V. 112. № 19. P. 6062–6067. https://doi.org/10.1073/pnas.1506257112
  5. Eidelman Y., Salnikov I., Slanina S., Andreev S. Chromosome folding promotes intrachromosomal aberrations under radiation- and nuclease-induced DNA breakage // Int. J. Mol. Sci. 2021. V. 22. № 22. P. 12186. https://doi.org/10.3390/ijms222212186
  6. Beagrie R.A., Scialdone A., Schueler M. et al. Complex multi-enhancer contacts captured by genome architecture mapping // Nature. 2017. V. 543. № 7646. P. 519–524. https://doi.org/10.1038/nature21411
  7. Giorgetti L., Galupa R., Nora E.P. et al. Predictive polymer modeling reveals coupled fluctuations in chromosome conformation and transcription // Cell. 2014. V. 157. № 4. P. 950–963. https://doi.org/10.1016/j.cell.2014.03.025
  8. Annunziatella C., Chiariello A.M., Bianco S., Nicodemi M. Polymer models of the hierarchical folding of the Hox-B chromosomal locus // Phys. Rev. E. 2016. V. 94. № 4-1. P. 042402. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.94.042402
  9. The ENCODE Project Consortium. An integrated encyclopedia of DNA elements in the human genome // Nature. 2012. V. 489. № 7414. P. 57–74. https://doi.org/10.1038/nature11247
  10. Anders S., Pyl P.T., Huber W. HTSeq – a Python framework to work with high-throughput sequencing data // Bioinformatics. 2015. V. 31. № 2. P. 166–169. https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btu638
  11. Dixon J.R., Selvaraj S., Yue F. et al. Topological domains in mammalian genomes identified by analysis of chromatin interactions // Nature. 2012. V. 485. № 7398. P. 376–380. https://doi.org/10.1038/nature11082
  12. Rao S.S.P., Huntley M.H., Durand N.C. et al. A 3D map of the human genome at kilobase resolution reveals principles of chromatin looping // Cell. 2014. V. 159. № 7. P. 1665–1680. https://doi.org/10.1016/j.cell.2014.11.021
  13. Novo C.L., Javierre B.-M., Cairns J. et al. Long-range enhancer interactions are prevalent in mouse embryonic stem cells and are reorganized upon pluripotent state transition // Cell Rep. 2018. V. 22. № 10. P. 2615–2627. https://doi.org/10.1016/j.celrep.2018.02.040
  14. Whyte W.A., Orlando D.A., Hnisz D. et al. Master transcription factors and mediator establish super-enhancers at key cell identity genes // Cell. 2013. V. 153. № 2. P. 307–319. https://doi.org/10.1016/j.cell.2013.03.035
  15. Ron G., Globerson Y., Moran D., Kaplan T. Promoter-enhancer interactions identified from Hi-C data using probabilistic models and hierarchical topological domains // Nat. Commun. 2017. V. 8. № 1. P. 2237. https://doi.org/10.1038/s41467-017-02386-3
  16. Liu L., Kim M.H., Hyeon C. Heterogeneous loop model to infer 3D chromosome structures from Hi-C // Biophys. J. 2019. V. 117. № 3. P. 613–625. https://doi.org/10.1016/j.bpj.2019.06.032
  17. Wang M.-L., Chiou S.-H., Wu C.-W. Targeting cancer stem cells: emerging role of Nanog transcription factor // Onco. Targets Ther. 2013. V. 6. P. 1207–1220. https://doi.org/10.2147/OTT.S38114
  18. Schoenfelder S., Fraser P. Long-range enhancer-promoter contacts in gene expression control // Nat. Rev. Genet. 2019. V. 20. № 8. P. 437–455. https://doi.org/10.1038/s41576-019-0128-0
  19. Finn E.H., Mistely T. Molecular basis and biological function of variability in spatial genome organization // Science. 2019. V. 365. № 6457. P. eaaw9498. https://doi.org/10.1126/science.aaw9498
  20. Sood V., Misteli T. The stochastic nature of genome organization and function // Curr. Opin. Genet. Dev. 2022. V. 72. P. 45–52. https://doi.org/10.1016/j.gde.2021.10.004

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2.

Download (1MB)
Indexing metadata
3.

Download (353KB)
Indexing metadata
4.

Download (113KB)
Indexing metadata
5.

Download (568KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2023 Ю.А. Эйдельман, С.Г. Андреев

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».