RNA-seq&ATAC-seq揭示TRIM28參與HIV-1潛伏感染機制【成功案例】

2019年新年伊始,百邁客與中山大學中山醫學院合作發表了RNA-seq & ATAC-seq多組學文章,研究了人類免疫缺陷病毒1型(HIV-1)潛伏感染的分子機制,文章發表在Elife雜志上,詳情如下:

英文標題:TRIM28 promotes HIV-1 latency by SUMOylating CDK9 and inhibiting P-TEFb

發表雜志:Elife

影響因子:7.616

合作單位:中山大學中山醫學院

發表時間:2019.01.17

研究背景

HIV-1潛伏感染是利用抑制性聯合抗逆轉錄病毒治療(combined antiretroviral therapy,cART)后實現治愈的一個主要障礙,其在體內存在病毒儲藏庫,需要終身的聯合抗逆轉錄病毒治療。潛伏感染的靜息CD4+?T細胞不能產生足以被免疫系統識別的病毒抗原,因此很難被根除。作為功能性治療策略之一的“shock and kill”策略已經引入并在這些年中得到廣泛應用。然而,一些感染細胞含有非誘導型前病毒,其很難被LRA重新激活。進一步闡明HIV-1潛伏期的機制將有助于我們更好地了解病毒儲藏庫的形成和維持,并開發新的治療干預措施。

(“Shock and kill”即“先激活后絕殺”策略,是利用藥物激活潛伏在T細胞內的艾滋病毒使其暴露,隨后通過增強免疫系統或者抗病毒藥物消滅攜帶有病毒的宿主細胞。其中,“Shock”策略中很重要的就是潛伏期逆轉劑(Latency reversing agents,LRA)的研發;“kill”即對激活后的HIV病毒進行殺傷,用的是用自體過繼免疫療法,如CTL反應和抗體依賴性細胞介導的細胞毒性作用(antibody-dependent cell-mediated cytotoxicity,ADCC)。)

表觀遺傳調控有助于建立和維持HIV-1潛伏感染:比如組蛋白脫乙酰酶、組蛋白甲基轉移酶等”writer”在HIV-1長末端重復序列(LTR)上作抑制性表觀遺傳標記,由”reader”蛋白蛋白HP1γ和L3MBTL1進一步維持;miR-28等microRNAs和NEAT1等lncRNA,這些非編碼RNA能夠靶向病毒RNA和病毒蛋白,以介導HIV潛伏感染的轉錄或轉錄后調控。

重新激活潛伏HIV-1的另一個障礙取決于轉錄控制:轉錄起始水平,HIV-1潛伏期由轉錄因子(包括NF-κB、Sp1、AP-1、NFAT和TFIIH)缺陷以及轉錄抑制因子(包括LSF、YY1和CTIP2)的積累所貢獻。然而,細胞周期蛋白Cyclin T1的表達在潛伏感染的細胞中下調,細胞周期蛋白依賴性激酶 CDK9也是無活性的。

雖然許多工作揭示了HIV-1潛伏期的表觀遺傳和轉錄調控機制,但仍存在一些重要問題:1、可能有一個多功能因素負責這兩種機制;2、啟動子近端暫停的機制尚未完全闡明3、P-TEFb如何被適當隔離、釋放并靶向HIV-1啟動子;4、尚未找到能夠有效重新激活潛伏HIV-1的強大逆轉劑LRA。

研究方法

  • siRNA文庫高通量篩選:鑒定HIV-1抑制和潛伏的細胞靶蛋白,TZM-BL細胞系(一種攜帶有熒光素酶報告基因的傳代細胞系,并且該報告基因受HIV-1 tat原件調控,只有在HIV-1 Tat蛋白存在的情況下才能有效表達。)
  • RNA-seq:用PHA刺激來自兩個健康供體的新鮮分離的CD4 + T細胞2天或不進行處理,鑒定HIV-1潛伏相關基因
  • ChIP實驗:TZM-bl和J-Lat 10.6細胞系鑒定TRIM28結合區域,以及后續各個組蛋白修飾或蛋白的chip鑒定
  • SUMO-MS:TRIM28 SUMO化候選底物
  • 蛋白功能閾缺失實驗:探究TRIM28的功能及重要功能域
  • 共定位實驗:超分辨率的連續隨機光學重建顯微鏡(cSTORM)3D共定位及結構光顯微鏡(SIM)共定位
  • ATAC-seq:J-Lat 10.6或TZM-bl細胞系,研究TRIM28缺失后HIV-1啟動子的染色質可及性
  • 賴氨酸突變實驗及逆轉突變實驗以及SUMO-MS等:鑒定特異性SUMO化位點
  • 細胞毒性相關實驗:細胞毒性測定、細胞活性測定、細胞數計數和細胞增殖測定

研究結果

1、TRIM28抑制HIV-1表達并導致HIV-1潛伏期

為了確定可能導致HIV-1抑制和潛伏的細胞靶點,作者定制了siRNA文庫在ZM-bl細胞系中進行高通量篩選,該文庫靶向細胞核內的幾種細胞途徑的182個基因,包括chromatin binding, epigenetic modification, chromatin remodeling, ubiquitination, SUMOylation 和 chromosome organization。分析敲除各靶標基因后熒光素酶的表達水平變化(以siNC為對照),許多蛋白質對應的熒光素酶表達升高,表明這些蛋白限制HIV-1啟動子的活性,最明顯包括HP1α、GLP、SUZ12和CYLD,其已被鑒定為抑制HIV-1轉錄。其中,兩個較少見的SUMO化途徑基因TRIM28和SUMO4敲低后,顯著上調了HIV-1啟動子活性。

通過實驗發現si-TRIM28過表達抑制了HIV-1啟動子活性的基礎水平,并以劑量依賴的方式挽救了HIV-1抑制;當與HIV-1 Tat和TNFα組合過表達時,上調更顯著;TRIM28在多種細胞系和原代細胞中普遍表達。為搜索HIV-1潛伏相關基因,作者利用RNA-Seq比較未刺激和PHA刺激的原代CD4+?T細胞中的基因表達作為補充實驗,TRIM28在未刺激的原代CD4+?T細胞中高表達,并在PHA激活后下調。當活化的CD4+?T細胞恢復到靜止狀態時,TRIM28的表達再次上調。為了測試TRIM28是否有助于HIV-1潛伏,在HIV-1潛伏細胞系J-Lat 10.6以及其他HIV潛伏細胞系模型(J-Lat 6.3/8.4/9.2和15.4)中敲低了TRIM28,發現TRIM28的缺失上調了HIV-1的表達。此外,當補充廣泛定義的LRA:組蛋白去乙酰化酶(HDAC)抑制劑SAHA或BET結構域抑制劑JQ-1時,HIV-1重新激活增強得更高。

 

 

先前已鑒定TRIM28通過募集HDAC1以使HIV-1整合酶去乙酰化來抑制HIV-1整合。在TZM-bl和J-Lat 10.6細胞系中進行TRIM28的染色質免疫沉淀(ChIP)實驗,以研究其與整合的HIV-1 DNA的可能關聯。結果表明:TRIM28在HIV-1 LTR上顯著富集,不受TNFα信號傳導的影響。接下來,探究了TRIM28缺失是否會影響HIV-1 LTR的表觀遺傳狀態,敲除TRIM28后H3K9me2和H3K9me3顯著減少,以及H3K4me3和H3K9Ac顯著增加,也誘導H3K27me3輕微下調,表明TRIM28通過控制抑制性表觀遺傳修飾來抑制HIV-1表達并導致HIV-1潛伏期。

2TRIM28 SUMO化許多轉錄因子和轉移酶

接下來,作者通過構建TRIM28不同區域的缺失突變體探究該蛋白功能。TRIM28是一種多功能蛋白,含有7個不同的結構域:由鄰近的植物同源域(PHD)SUMO化的C-末端溴結構域(BR),以SUMOylation依賴性方式募集SETDB1和NuRD復合物;N端三聯體基序RBCC區域由RING指結構域(RING)、2個B-box domians(BB)和卷曲螺旋域(CC)組成。 TRIM28的RING起分子間SUMO E3連接酶的作用,而PHD對分子內SUMO E3連接酶活性很重要。

HP1BD、NHD或BR缺失突變體,尤其是具有分子內SUMO E3連接酶活性的PHD突變體,沒有能夠顯著地挽救抑制作用;RING或RBCC結構域缺失突變體完全中止了再抑制,這可能是由于Krüppel相關的盒結構域鋅指(KRAB-ZNFs)結合能力的喪失;而僅含有RBCC的突變體(TRIM28-RBCC)仍然恢復了抑制作用。野生型TRIM28能夠拯救抑制性表觀遺傳標記H3K9me3和H3K27me3并抑制活性表觀遺傳標記H3K9乙酰化,然而,沒有RING或PHD結構域的突變體僅能夠挽救部分抑制標記。因此,作者假設TRIM28可利用RING結構域SUMO化對HIV-1表達至關重要的細胞蛋白。

為了鑒定由TRIM28 SUMO化的候選底物,作者進行了全局位點特異性SUMO化質譜(SUMO-MS),鑒定了1,329個SUMO化蛋白,并構建了相互作用置信度為0.7的STRING互作網絡,MCODE分析發現STRING核心網絡可以聚類成12個亞群。GO分析發現細胞和代謝過程是SUMO化蛋白可能參與的前兩個生物過程。通過k-means聚類特異性地將轉移酶和轉錄因子聚類,并用STRING分析進行可視化,發現許多候選蛋白對于HIV-1表達是關鍵的,例如JUN、JUNB、JUND、mTOR、STAT3、Cyclin T1(CCNT1)和CDK9。將SUMO化蛋白鑒定的顯著性閾值調低到10^-8,CDK9仍然排名靠前。作者在體外驗證了全局位點特異性SUMO-MS的可靠性。

3、CDK9由TRIM28 SUMO化

前面siRNA文庫篩選中,SUMO4缺失比其他SUMO旁系同源物缺失更顯著上調HIV-1啟動子活性。當與HIV-1 Tat過表達組合時,上調更顯著,其現象與TRIM28實驗中觀察到的相似。SUMO4的敲低或敲除也能夠在J-Lat 10.6中重新激活潛在的假HIV-1。原代CD4+?T細胞被PHA刺激后,SUMO4的表達下調,恢復到靜止期后達SUMO4表達恢復到基礎水平。

接下來探究了SUMO4是否可以影響TRIM28的功能和HIV-1啟動子的表觀遺傳狀態:SUMO4敲低后,超過一半的TRIM28從HIV-1 LTR中丟失,表明TRIM28在HIV-1 LTR上的富集可能是部分SUMOylation依賴性的;SUMO4敲低后H3K9me、H3K9me2和H3K9me3在HIV-1 LTR上顯著降低,以及H3K9甲基化’writer’ SETDB1和’reader’ HP1α顯著降低;H3K9乙酰化和H3K4me3的顯著上調和HDAC1的下調,這與先前報道TRIM28以SUMO化依賴性方式募集SETDB1、HP1α和HDAC1一致;H3K27me3在HIV-1 LTR上也降低。一些多梳抑制復合物2(PRC2)組分如EZH2和SUZ12(H3K27me3的主要’writer’)可能被SUMO4 SUMO化,導致修飾功能的增強。

作者進一步研究SUMO4在TRIM28介導的CDK9 SUMO 經中的作用來鑒定其潛在的機制。通過CDK9與SUMO1、SUMO2和SUMO4共同過表達實驗,發現CDK9主要由SUMO1和SUMO4 SUMO化。補充過表達TRIM28后,SUMO-CDK9量變得更豐富。然而,如果僅用TRIM28共表達CDK9但沒有SUMO E2 酶UBC9時,SUMO化水平沒有增加,這表明TRIM28介導的SUMO化是UBC9依賴性的。當TRIM28表達逐漸增加時,SUMO-CDK9 化水平以劑量依賴性增加。體外SUMO化測定表明,僅當將SUMO4、E1 SAE1/UBA2,E2 UBC9和TRIM28一起提供到SUMO化反應緩沖液中時,SUMO4與CDK9結合。在HeLa細胞中敲除TRIM28后,SUMO化的CDK9減少。前面的siRNA文庫篩選實驗中表明,幾種SUMO特異性蛋白酶(SENP)抑制HIV-1表達,尤其是SENP3,用TRIM28共表達SENP3,發現SENP3阻止了TRIM28介導的CDK9 SUMO化。作者在原代CD4+?T細胞中證實了以上結論。總之,TRIM28介導SUMO4與CDK9的結合,其被SENP3逆轉。

4、TRIM28 RING結構域在結合和SUMO化CDK9中起關鍵作用

為了確定TRIM28是否與CDK9結合,作者使用超分辨率的連續隨機光學重建顯微鏡(cSTORM)來研究分辨率為20nm二者間的三維(3D)共定位。TRIM28存在于細胞核中,與點狀SUMO4共定位。放大視圖和3D-cSTORM,發現SUMO4蛋白被TRIM28富集并形成大斑點。CDK9存在于細胞核內的分散點中,但仍發現CDK9與TRIM28共定位。與SUMO4類似,CDK9蛋白被TRIM28富集并包圍TRIM28。近80%的TRIM28斑點或復合物與94%的SUMO4斑點共定位,88%的TRIM28斑點或復合物與76%的CDK9斑點共定位。

免疫共沉淀(Co-IP)實驗發現即使在RNase存在下CDK9也與TRIM28結合。為了鑒定TRIM28的哪個區域與CDK9結合,構建各種TRIM28缺失突變體以富集CDK9:RING結構域缺失中止了CDK9的結合以及CDK9的SUMO化。實驗表明外源表達的TRIM28也與CDK9共定位。總之,研究表明RING和PHD都具有E3連接酶活性并富集UBC9。

 

5、TRIM28 SUMO化時抑制CDK9功能

進一步探究CDK9的功能是否受TRIM28介導的SUMO化的影響。首先,ATAC-Seq探究TRIM28缺失后HIV-1啟動子的染色質可及性。在J-Lat 10.6或TZM-bl細胞系中TRIM28缺失時,基因組中大多數增加的可及區域位于啟動子和遠端基因間區域上。GO分析和COG分析表明,染色質可及性變化發生在與各種生物過程和細胞組分相關的基因中,大多數受影響的功能基因具有DNA或蛋白質結合能力和催化活性。

作者也對HIV-1基因組的染色質可及性是否受到TRIM28缺失的影響進行了分析,將ATAC-seq數據以HIV-1參考基因組進行分析,轉座標簽密度所指示的可及區域在HIV-1 LTR上增加,這表明啟動子活性顯著增強。且敲除TRIM28或SUMO4后HIV-1 LTR上CDK9和Ser2超磷酸化RNAP II顯著富集,這與TRIM28或SUMO4缺失重新激活HIV-1表達的結果一致。

Co-IP實驗發現細胞周期蛋白Cyclin T1僅與野生型CDK9結合形成正性轉錄延伸因子P-TEFb復合物,而不是SUMO化的CDK9。為了研究TRIM28介導的CDK9 SUMO化是否影響CDK9的激酶活性,進行了體外CDK9 SUMO化測定和CDK9激酶活性測定:發現當TRIM28 SUMO化CDK9時,CDK9的激酶活性顯著降低。不添加TRIM28,CDK9的激酶活性不受影響,盡管已添加其他SUMO化組分。

總之,TRIM28介導的SUMO化損害了CDK9與Cyclin T1的結合能力和CDK9對RNAP II的激酶活性,導致轉錄延伸功能障礙。

6、SUMO4對CDK9的Lys44\Lys56\Lys68殘基SUMO化

接下來作者試圖鑒定應該在CDK9?賴氨酸殘基上發生的SUMO化位點。賴氨酸突變實驗結果:CDK9-K0R突變體含有所有賴氨酸變為精氨酸的突變,完全中止了CDK9被SUMO化的能力;其他CDK9突變體仍然能夠通過TRIM28進行SUMO化,這表明在整個CDK9序列中可能存在多個SUMOylation位點。采用基于CDK9-K0R全突變體的逆轉突變策略,發現CDK9上的幾個賴氨酸顯著SUMO化。其中,多個SUMO化位點與CDK9 C-末端自身磷酸化位點相鄰,據報道這些位點是Tat-P-TEFb與TAR RNA高親和力結合所必需的,即?SUMO化可以通過阻止相鄰的磷酸化來降低結合能力。

為了進一步確定哪些位點確實僅被TRIM28 SUMO化,作者敲除了內源性TRIM28并測試了上述鑒定候選位點的SUMO化潛力,發現Lys44、Lys56和Lys68的SUMO 化信號在缺乏內源性TRIM28時完全消失,進一步支持這些位點被TRIM28特異性SUMO化。直接分析富集的SUMO-CDK9的靶特異性SUMO-MS也證實了該結果。Lys44的乙酰化是其激酶活性所必需的,其他2個SUMO化位點Lys56和Lys68在CDK9和細胞周期蛋白T1的相互作用區域內。SUMO蛋白是多肽大分子,它的存在可以形成空間位阻,從而阻止P-TEFb復合物的形成。

7、TRIM28缺失重新激活HIV-1感染者細胞中潛伏HIV-1

為了驗證TRIM28是否可以成為開發新LRA的安全靶標,首先對Hela細胞、Jurkat細胞以及從感染者分離的靜息CD4+?T細胞中評估了缺失TRIM28相關的可能毒性:細胞毒性測定、細胞活性測定、細胞數計數和細胞增殖測定。結果表明TRIM28缺失對細胞活性和增殖無害。

之后作者試圖確定TRIM28的敲低是否在接受抑制性cART療法至少6個月的HIV-1感染者的靜息CD4+T細胞中重新激活潛伏的HIV-1。基于細胞內HIV-1 RNA的定量,表明用αCD3/αCD28刺激顯著誘導HIV-1的表達。TRIM28敲低重新激活了與HDAC抑制劑SAHA相似量的HIV-1 RNA表達。在將TRIM28敲低與SAHA組合后,重新激活效果更顯著。同樣,SUMO4敲低和SAHA添加的組合使用可以重新激活比單獨使用更多的HIV-1 RNA表達。雖然TRIM28單獨缺失重新激活相似數量的具有SAHA的遺傳多樣化HIV-1表達,但TRIM28敲低和SAHA的組合重新激活了更多遺傳多樣化的HIV-1表達。

為了確定重新激活的HIV-1是否具有復制能力,用PHA激活的健康個體分離的CD4+?T共培養了HIV-1感染個體的PHA刺激的、SAHA誘導的或TRIM28敲低的靜息CD4+?T細胞。p24抗原的累積產生表明重新活化的HIV-1病毒顆粒具有復制能力。TRIM28的敲低在所有3個樣品中重新激活了具有復制能力的病毒。類似地,SAHA與TRIM28敲低的組合重新激活了更多具有復制能力的病毒顆粒。這些結果表明TRIM28有助于HIV-1感染個體的HIV-1潛伏,靶向TRIM28對HIV-1感染的CD4+?T細胞具有良好的適用性。

作者發現TRIM28不僅可以作為定義明確的表觀遺傳學adaptor,還可以作為SUMO E3連接酶與SUMOylate P-TEFb復合物一起發揮作用,從而顯著抑制HIV-1的表達并導致HIV-1潛伏。提出了TRIM28介導的HIV-1潛伏模型:在活躍狀態下,P-TEFb復合物被HIV-1 Tat募集至部分轉錄的HIV-1 RNA反式激活反應元件(TAR)。 P-TEFb催化亞基CDK9使RNAP II的Ser2殘基超磷酸化,促進RNAP II轉錄HIV-1 RNA的持續性;在潛伏狀態下,TRIM28被募集到HIV-1 LTR并在Lys44、Lys56和Lys68 SUMO化CDK9,導致CDK9激酶活性的抑制和其與細胞周期蛋白T1的隔開,沒有Ser2的超磷酸化,RNAP II啟動子近端暫停在LTR。因此,潛伏狀態由TRIM28介導的CDK9功能障礙和TRIM28介導的核小體nuc-1的抑制性表觀遺傳修飾維持,核小體nuc-1恰好位于HIV-1啟動子的下游。

參考文獻:

Ma X, Yang T, Luo Y, et al. TRIM28 promotes HIV-1 latency by SUMOylating CDK9 and inhibiting P-TEFb.Elife. 2019 Jan 17;8. pii: e42426.

 

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