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WGBS+ChIP-seq技術(shù)揭示Cdx2轉(zhuǎn)錄因子在發(fā)育與穩(wěn)態(tài)中的動(dòng)態(tài)結(jié)合機(jī)制
Cdx2是一個(gè)關(guān)鍵的轉(zhuǎn)錄因子，在小鼠腸道上皮細(xì)胞的發(fā)育過(guò)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(xì)胞中都有表達(dá)，但其結(jié)合的基因組位點(diǎn)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(guān)。然而，某些轉(zhuǎn)錄因子（如Cdx2）可能更傾向于結(jié)合甲基化的DNA序列。轉(zhuǎn)錄因子通過(guò)結(jié)合發(fā)育階段特異性的靶點(diǎn)并建立合適的增強(qiáng)子景觀來(lái)引導(dǎo)組織發(fā)育。而DNA序列和染色質(zhì)修飾會(huì)指導(dǎo)轉(zhuǎn)錄因子的基因組結(jié)合。然而，轉(zhuǎn)錄因子如何在染色質(zhì)特征中導(dǎo)航以選擇性地結(jié)合所有可能的基因組靶位點(diǎn)的一個(gè)小子集，仍然知之甚少。
近日，美國(guó)南加州大學(xué)Unmesh Jadhav團(tuán)隊(duì)研究了轉(zhuǎn)錄因子Cdx2在發(fā)育和穩(wěn)態(tài)過(guò)程中如何通過(guò)不同機(jī)制與基因組不同位點(diǎn)結(jié)合，以及這種結(jié)合如何受到DNA甲基化和染色質(zhì)修飾的調(diào)控。研究利用小鼠腸道上皮細(xì)胞作為模型系統(tǒng)，通過(guò)多種實(shí)驗(yàn)方法揭示了Cdx2結(jié)合的動(dòng)態(tài)變化及其對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控機(jī)制。其中，WGBS（全基因組重亞硫酸鹽測(cè)序）和ChIP-seq（染色質(zhì)免疫沉淀測(cè)序）在本研究中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。相關(guān)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(shù)平臺(tái)：CUT&RUN、WGBS、ChIP-seq等
本研究結(jié)果揭示Cdx2作為一種在發(fā)育中的腸道上皮細(xì)胞與成年腸道上皮細(xì)胞中結(jié)合不同靶點(diǎn)的譜系決定性轉(zhuǎn)錄因子，在體內(nèi)對(duì)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(diǎn)的高頻率出現(xiàn)以及CpG在發(fā)育過(guò)程中的甲基化狀態(tài)，使Cdx2能夠選擇性地結(jié)合并激活發(fā)育增強(qiáng)子和基因。在成體細(xì)胞中，這些增強(qiáng)子的去甲基化抑制Cdx2異位結(jié)合，將Cdx2誘導(dǎo)至其不含CpG的經(jīng)典motif。這種Cdx2結(jié)合轉(zhuǎn)變促進(jìn)了Ctcf和Hnf4的招募，分別在發(fā)育過(guò)程中建立超級(jí)增強(qiáng)子和在成體細(xì)胞中建立穩(wěn)態(tài)增強(qiáng)子。在成年小鼠上皮細(xì)胞或培養(yǎng)細(xì)胞中誘導(dǎo)的DNA甲基化會(huì)將Cdx2招募到發(fā)育靶點(diǎn)，從而促進(jìn)伙伴轉(zhuǎn)錄因子的共招募。因此，Cdx2對(duì)CpG motif的不同偏好使其能夠介導(dǎo)不同的DNA甲基化譜，激活特定于適當(dāng)發(fā)育階段的基因。
研究方法：
CUT&RUN：檢測(cè)轉(zhuǎn)錄因子Cdx2在胚胎期（E12.5、E16.5）和成年期小鼠腸道上皮細(xì)胞中的結(jié)合位點(diǎn)。
WGBS：分析DNA甲基化狀態(tài)。通過(guò)亞硫酸鹽處理，將未甲基化的胞嘧啶轉(zhuǎn)化為尿嘧啶，從而區(qū)分甲基化和未甲基化的CpG位點(diǎn)。
ChIP-seq：檢測(cè)特定轉(zhuǎn)錄因子（如Cdx2、Ctcf和Hnf4a）的基因組結(jié)合位點(diǎn)，以及組蛋白修飾（如H3K27me3、H3K27ac）分布。
結(jié)果圖形：
（1）Cdx2結(jié)合位點(diǎn)的動(dòng)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(xì)胞中的結(jié)合位點(diǎn)存在顯著差異。胚胎期結(jié)合位點(diǎn)更多分布在啟動(dòng)子區(qū)域（24%），而成年期結(jié)合位點(diǎn)則主要分布在增強(qiáng)子區(qū)域（＞87%）。這種從啟動(dòng)子到增強(qiáng)子的結(jié)合模式轉(zhuǎn)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(guò)結(jié)合啟動(dòng)子區(qū)域激活關(guān)鍵的發(fā)育基因（如Sox4和Meis1），而在成年期則通過(guò)結(jié)合增強(qiáng)子區(qū)域維持組織的穩(wěn)態(tài)功能（如Krt19和Fabp2）。
（2）Cdx2結(jié)合motif偏好性
Cdx2在胚胎期更傾向于結(jié)合含有CpG的非典型motif（ATAAA + CpG），而在成年期則更傾向于結(jié)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(jié)合到不同的基因組位點(diǎn)。而Cdx2結(jié)合的CpG含有motif在胚胎期通常處于甲基化狀態(tài)，進(jìn)而促進(jìn)Cdx2的結(jié)合和基因激活。而在成年期，這些位點(diǎn)的去甲基化阻止了Cdx2的結(jié)合，從而避免了異位結(jié)合。
圖2：Cdx2發(fā)育結(jié)合位點(diǎn)中CpG含量高的Cdx2 motif顯著富集
（3）Cdx2結(jié)合與染色質(zhì)修飾的協(xié)同作用
Cdx2通過(guò)結(jié)合不同motif，能夠招募Ctcf和Hnf4a到不同的基因組位點(diǎn)。在胚胎期，Cdx2通過(guò)結(jié)合CpG motif招募Ctcf，形成超級(jí)增強(qiáng)子（super-enhancers），激活發(fā)育相關(guān)基因。在成年期，Cdx2通過(guò)結(jié)合經(jīng)典motif招募Hnf4a，形成穩(wěn)態(tài)增強(qiáng)子（homeostatic enhancers），維持組織功能。Cdx2結(jié)合位點(diǎn)在胚胎期通常具有較高的染色質(zhì)可及性，而在成年期則需要通過(guò)去甲基化等機(jī)制來(lái)調(diào)控染色質(zhì)狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)基因表達(dá)調(diào)控。
圖3：Cdx2通過(guò)引導(dǎo)Ctcf招募促進(jìn)成年穩(wěn)態(tài)超級(jí)增強(qiáng)子形成
（4）DNA甲基化對(duì)Cdx2結(jié)合的影響
通過(guò)Eed基因敲除或GSK-3484862抑制劑誘導(dǎo)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(diǎn)，從而激活發(fā)育期的基因表達(dá)。在成年期，通過(guò)誘導(dǎo)DNA甲基化，Cdx2能夠重新結(jié)合到發(fā)育期的靶位點(diǎn)，這表明Cdx2的結(jié)合受到DNA甲基化狀態(tài)的調(diào)控。這種甲基化依賴性結(jié)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(guò)結(jié)合不同的基因組位點(diǎn)來(lái)調(diào)控基因表達(dá)。
圖4：PRC2失活導(dǎo)致增強(qiáng)子區(qū)域DNA甲基化增加，從而招募Cdx2
圖5：成體細(xì)胞中Cdx2結(jié)合變化恢復(fù)了發(fā)育中的Ctcf招募
易小結(jié)
本文通過(guò)綜合運(yùn)用CUT&RUN、WGBS和ChIP-seq等技術(shù)，揭示了Cdx2在腸道上皮細(xì)胞發(fā)育和穩(wěn)態(tài)過(guò)程中如何通過(guò)不同的機(jī)制結(jié)合到基因組的不同位點(diǎn)，并受到DNA甲基化和染色質(zhì)修飾的調(diào)控。這些發(fā)現(xiàn)不僅增進(jìn)了我們對(duì)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(zhuǎn)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(guān)重要的作用。WGBS揭示了Cdx2結(jié)合位點(diǎn)的DNA甲基化動(dòng)態(tài)變化，而ChIP-seq則精確地定位了Cdx2的結(jié)合位點(diǎn)，并分析了其與其他轉(zhuǎn)錄因子的協(xié)同作用。這兩種技術(shù)的結(jié)合，使得研究能夠深入理解Cdx2在發(fā)育和穩(wěn)態(tài)過(guò)程中如何通過(guò)DNA甲基化和染色質(zhì)修飾來(lái)調(diào)控基因表達(dá)。
參考文獻(xiàn)：
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(guó)南加州大學(xué)Unmesh Jadhav團(tuán)隊(duì)研究了轉(zhuǎn)錄因子Cdx2在發(fā)育和穩(wěn)態(tài)過(guò)程中如何通過(guò)不同機(jī)制與基因組不同位點(diǎn)結(jié)合，以及這種結(jié)合如何受到DNA甲基化和染色質(zhì)修飾的調(diào)控。研究利用小鼠腸道上皮細(xì)胞作為模型系統(tǒng)，通過(guò)多種實(shí)驗(yàn)方法揭示了Cdx2結(jié)合的動(dòng)態(tài)變化及其對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控機(jī)制。其中，WGBS（全基因組重亞硫酸鹽測(cè)序）和ChIP-seq（染色質(zhì)免疫沉淀測(cè)序）在本研究中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。相關(guān)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(biāo)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(guò)程中 Cdx2動(dòng)態(tài)結(jié)合的基礎(chǔ)）
期刊：Nature Communications影響因子： IF 14.7 / Q1
技術(shù)平臺(tái)：CUT&RUN、WGBS、ChIP-seq等
本研究結(jié)果揭示Cdx2作為一種在發(fā)育中的腸道上皮細(xì)胞與成年腸道上皮細(xì)胞中結(jié)合不同靶點(diǎn)的譜系決定性轉(zhuǎn)錄因子，在體內(nèi)對(duì)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(diǎn)的高頻率出現(xiàn)以及CpG在發(fā)育過(guò)程中的甲基化狀態(tài)，使Cdx2能夠選擇性地結(jié)合并激活發(fā)育增強(qiáng)子和基因。在成體細(xì)胞中，這些增強(qiáng)子的去甲基化抑制Cdx2異位結(jié)合，將Cdx2誘導(dǎo)至其不含CpG的經(jīng)典motif。這種Cdx2結(jié)合轉(zhuǎn)變促進(jìn)了Ctcf和Hnf4的招募，分別在發(fā)育過(guò)程中建立超級(jí)增強(qiáng)子和在成體細(xì)胞中建立穩(wěn)態(tài)增強(qiáng)子。在成年小鼠上皮細(xì)胞或培養(yǎng)細(xì)胞中誘導(dǎo)的DNA甲基化會(huì)將Cdx2招募到發(fā)育靶點(diǎn)，從而促進(jìn)伙伴轉(zhuǎn)錄因子的共招募。因此，Cdx2對(duì)CpG motif的不同偏好使其能夠介導(dǎo)不同的DNA甲基化譜，激活特定于適當(dāng)發(fā)育階段的基因。
研究方法：
CUT&RUN：檢測(cè)轉(zhuǎn)錄因子Cdx2在胚胎期（E12.5、E16.5）和成年期小鼠腸道上皮細(xì)胞中的結(jié)合位點(diǎn)。
WGBS：分析DNA甲基化狀態(tài)。通過(guò)亞硫酸鹽處理，將未甲基化的胞嘧啶轉(zhuǎn)化為尿嘧啶，從而區(qū)分甲基化和未甲基化的CpG位點(diǎn)。
ChIP-seq：檢測(cè)特定轉(zhuǎn)錄因子（如Cdx2、Ctcf和Hnf4a）的基因組結(jié)合位點(diǎn)，以及組蛋白修飾（如H3K27me3、H3K27ac）分布。
結(jié)果圖形：
（1）Cdx2結(jié)合位點(diǎn)的動(dòng)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(xì)胞中的結(jié)合位點(diǎn)存在顯著差異。胚胎期結(jié)合位點(diǎn)更多分布在啟動(dòng)子區(qū)域（24%），而成年期結(jié)合位點(diǎn)則主要分布在增強(qiáng)子區(qū)域（＞87%）。這種從啟動(dòng)子到增強(qiáng)子的結(jié)合模式轉(zhuǎn)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(guò)結(jié)合啟動(dòng)子區(qū)域激活關(guān)鍵的發(fā)育基因（如Sox4和Meis1），而在成年期則通過(guò)結(jié)合增強(qiáng)子區(qū)域維持組織的穩(wěn)態(tài)功能（如Krt19和Fabp2）。
圖1：Cdx2結(jié)合在基因啟動(dòng)子和增強(qiáng)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(jié)合motif偏好性
Cdx2在胚胎期更傾向于結(jié)合含有CpG的非典型motif（ATAAA + CpG），而在成年期則更傾向于結(jié)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(jié)合到不同的基因組位點(diǎn)。而Cdx2結(jié)合的CpG含有motif在胚胎期通常處于甲基化狀態(tài)，進(jìn)而促進(jìn)Cdx2的結(jié)合和基因激活。而在成年期，這些位點(diǎn)的去甲基化阻止了Cdx2的結(jié)合，從而避免了異位結(jié)合。
圖2：Cdx2發(fā)育結(jié)合位點(diǎn)中CpG含量高的Cdx2 motif顯著富集
（3）Cdx2結(jié)合與染色質(zhì)修飾的協(xié)同作用
Cdx2通過(guò)結(jié)合不同motif，能夠招募Ctcf和Hnf4a到不同的基因組位點(diǎn)。在胚胎期，Cdx2通過(guò)結(jié)合CpG motif招募Ctcf，形成超級(jí)增強(qiáng)子（super-enhancers），激活發(fā)育相關(guān)基因。在成年期，Cdx2通過(guò)結(jié)合經(jīng)典motif招募Hnf4a，形成穩(wěn)態(tài)增強(qiáng)子（homeostatic enhancers），維持組織功能。Cdx2結(jié)合位點(diǎn)在胚胎期通常具有較高的染色質(zhì)可及性，而在成年期則需要通過(guò)去甲基化等機(jī)制來(lái)調(diào)控染色質(zhì)狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)基因表達(dá)調(diào)控。
圖3：Cdx2通過(guò)引導(dǎo)Ctcf招募促進(jìn)成年穩(wěn)態(tài)超級(jí)增強(qiáng)子形成
（4）DNA甲基化對(duì)Cdx2結(jié)合的影響
通過(guò)Eed基因敲除或GSK-3484862抑制劑誘導(dǎo)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(diǎn)，從而激活發(fā)育期的基因表達(dá)。在成年期，通過(guò)誘導(dǎo)DNA甲基化，Cdx2能夠重新結(jié)合到發(fā)育期的靶位點(diǎn)，這表明Cdx2的結(jié)合受到DNA甲基化狀態(tài)的調(diào)控。這種甲基化依賴性結(jié)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(guò)結(jié)合不同的基因組位點(diǎn)來(lái)調(diào)控基因表達(dá)。
圖4：PRC2失活導(dǎo)致增強(qiáng)子區(qū)域DNA甲基化增加，從而招募Cdx2
圖5：成體細(xì)胞中Cdx2結(jié)合變化恢復(fù)了發(fā)育中的Ctcf招募
圖6：直接抑制DNA甲基化導(dǎo)致Cdx2結(jié)合喪失，而結(jié)合位點(diǎn)的再甲基化則允許其招募
易小結(jié)
本文通過(guò)綜合運(yùn)用CUT&RUN、WGBS和ChIP-seq等技術(shù)，揭示了Cdx2在腸道上皮細(xì)胞發(fā)育和穩(wěn)態(tài)過(guò)程中如何通過(guò)不同的機(jī)制結(jié)合到基因組的不同位點(diǎn)，并受到DNA甲基化和染色質(zhì)修飾的調(diào)控。這些發(fā)現(xiàn)不僅增進(jìn)了我們對(duì)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(zhuǎn)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(guān)重要的作用。WGBS揭示了Cdx2結(jié)合位點(diǎn)的DNA甲基化動(dòng)態(tài)變化，而ChIP-seq則精確地定位了Cdx2的結(jié)合位點(diǎn)，并分析了其與其他轉(zhuǎn)錄因子的協(xié)同作用。這兩種技術(shù)的結(jié)合，使得研究能夠深入理解Cdx2在發(fā)育和穩(wěn)態(tài)過(guò)程中如何通過(guò)DNA甲基化和染色質(zhì)修飾來(lái)調(diào)控基因表達(dá)。
參考文獻(xiàn)：
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(biāo)簽：
DNA甲基化
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