Molecular Underpinnings in the Establishment of an Oncogenic 3D Genome in Response to Environmental Arsenic Exposure

建立响应环境砷暴露的致癌 3D 基因组的分子基础

基本信息

项目摘要

Abstract Establishing the influence of pollutants on genome function is essential in defining their impact on human health. Environmental pollutants such as inorganic arsenic (iAs) are responsible for over thirteen million deaths yearly. Importantly, 24% of the diseases caused by environmental exposures might have been avoided by disease prevention, diagnosis and the development of safer metal-based therapeutic agents. In order to understand how these pollutants cause disease, we need to understand how pollutants change gene expression. Proper gene regulation is essential for normal growth, development and etiology of diseases such as cancer. Eukaryotic DNA stored as chromatin plays an integral role in gene regulation. At the one- dimensional (1D) level, chromatin is found as nucleosomes and at the three dimensional level (3D), chromatin is found in loops and topological domains, both of which regulate gene expression by allowing accessibility to the DNA wrapped up as chromatin. Inorganic arsenic is a ubiquitous metal that impacts gene regulation through modulating the epigenome. We recently provided the epigenetic landscape (DNA methylation, histone PTMs and histone variants) mediated by iAs. This landscape though important, makes it difficult to decipher whether the observed effects on gene activity are due to local changes in epigenetic environments, or effects caused by remote changes several kilobases away, such as the activity of enhancer(s). Additionally, the effect of the 3D chromatin structure supersedes that at the 1D chromatin level. This 3D information is mediated by CTCF, known as a ‘master weaver’ of the genome, and any dysregulation of the CTCF binding alters this 3D structure, resulting in gene dysregulation. We recently showed that iAs selectively inhibits CTCF from binding to some of its target sites and instigating oncogenic expression patterns. Interestingly, carcinogenesis is not a linear process but involves a several hybrid in-between stages till final cancer state. We therefore hypothesize that by inhibiting CTCF binding, iAs reorganizes the genome to maintain specific topologically-activated domains at the 3D chromatin structure to drive specific oncogenic potentials. To test this hypothesis, we will map CTCF binding (Aim 1), chromatin 3D (Aim 2) and ChIP-seq of histone marks (Aim 3) as cells undergo iAs- mediated carcinogenesis. The knowledge derived from the proposed studies will allow us to characterize the resulting gene regulatory network mediated by iAs exposure, and allow us to unambiguously anchor iAs exposure to changes in the CTCF interactome in the process of iAs-mediated cancer. Additionally, these studies will allow us to decipher how iAs initiates, establishes and maintains particular chromatin signatures that ultimately drive gene expression in iAs pathogenesis. Such studies are critically needed for the identification of translational targets and the development of therapeutic drugs needed in iAs-disease pathology.
抽象的 确定污染物对基因组功能的影响对于确定污染物对人类的影响至关重要 健康。无机砷 (iAs) 等环境污染物导致超过 1300 万人死亡 每年。重要的是,24% 的由环境暴露引起的疾病本可以通过以下方式避免: 疾病预防、诊断和开发更安全的金属基治疗剂。为了 了解这些污染物如何导致疾病,我们需要了解污染物如何改变基因 表达。适当的基因调控对于正常生长、发育和疾病的病因学至关重要 作为癌症。以染色质形式储存的真核 DNA 在基因调控中发挥着不可或缺的作用。在一处—— 在三维 (1D) 水平上,染色质以核小体的形式存在;在三维水平 (3D) 上,染色质以核小体的形式存在 存在于环和拓扑域中,两者都通过允许访问来调节基因表达 DNA 被包裹成染色质。无机砷是一种普遍存在的金属,会影响基因调控 通过调节表观基因组。我们最近提供了表观遗传景观(DNA 甲基化、组蛋白 由 iAs 介导的 PTM 和组蛋白变体。这幅风景虽然重要,但却难以解读 观察到的对基因活性的影响是否是由于表观遗传环境的局部变化或影响 由几千碱基以外的远程变化引起,例如增强子的活动。另外,效果 3D 染色质结构的结构取代了 1D 染色质结构的结构。该 3D 信息是通过 CTCF 被称为基因组的“编织大师”,CTCF 结合的任何失调都会改变这种 3D 结构,导致基因失调。我们最近表明 iAs 选择性抑制 CTCF 结合 其一些靶位点并引发致癌表达模式。有趣的是,致癌并不是 线性过程,但涉及到最终癌症状态之前的几个阶段之间的混合。因此我们假设 通过抑制 CTCF 结合,iAs 重组基因组以维持特定的拓扑激活 3D 染色质结构上的结构域可驱动特定的致癌潜力。为了检验这个假设,我们将 当细胞经历 iAs- 时绘制 CTCF 结合(目标 1)、染色质 3D(目标 2)和组蛋白标记的 ChIP-seq(目标 3) 介导的致癌作用。从拟议的研究中获得的知识将使我们能够描述 由此产生的基因调控网络由 iAs 暴露介导,并允许我们明确锚定 iAs 在 iAs 介导的癌症过程中暴露于 CTCF 相互作用组的变化。此外,这些 研究将使我们能够破译 iAs 如何启动、建立和维持特定的染色质特征 最终驱动 iAs 发病机制中的基因表达。此类研究对于 鉴定 iAs 疾病所需的转化靶点并开发治疗药物 病理。

项目成果

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