Diana Guallar 1 y Miguel Fidalgo 1
1Centro de Investigación en Medicina Molecular y Enfermedades Crónicas (CiMUS), Universidade de Santiago de Compostela–Instituto de Investigación Sanitaria (IDIS), Santiago de Compostela, Coruña, España.
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Llegar a entender los mecanismos moleculares que gobiernan la identidad de cada tipo celular que forma parte de nuestro organismo sigue siendo uno de los mayores desafíos científicos en biomedicina. Con fines terapéuticos, resulta de especial relevancia identificar los mecanismos moleculares que se encuentran alterados a nivel celular y dan lugar a una determinada enfermedad. A este respecto, cabe destacar que numerosos mecanismos epigenéticos se encuentran desregulados en diversas patologías humanas incluyendo alteraciones metabólicas, desórdenes neurodegenerativos y cáncer. La epigenética se podría definir como aquellas modificaciones químicas en histonas, moléculas de ADN y ARN que definen los diferentes paisajes transcripcionales de cada tipo celular. Este mecanismo de regulación permite que, por ejemplo, una neurona y un hepatocito de un individuo con un mismo material genético puedan llegar a tener funciones bien diferenciadas.
Entre las modificaciones epigenéticas caracterizadas hasta la fecha, se encuentra la metilación en las citosinas del ADN (5mC) en la cromatina. Los niveles de 5mC resultan críticos en la regulación transcripcional y aparecen alterados en varias enfermedades humanas como el cáncer. Sin embargo, a pesar de su importancia en el control de la expresión génica, tuvieron que pasar varias décadas hasta que se identificó a las proteínas TET, capaces de regular de manera activa esta importante marca epigenética (Tahiliani et al., 2009). Las proteínas TET (Ten-eleven-translocation) poseen la capacidad de oxidar químicamente los grupos metilo de las citosinas, dando lugar a intermediarios como la 5-hidroximetilcitosina (5hmC), que en última instancia lleva a la eliminación de la marca represora del ADN, 5mC.
Entre los tres miembros de la familia TET, el factor TET2 destaca por su papel central en la regulación de la identidad de las células madre embrionarias (Fidalgo et al., 2016) y por encontrarse desregulado en cánceres, especialmente en leucemias (Bowman and Levine, 2017). Sin embargo, hasta el momento se desconocía el mecanismo molecular a través del cual TET2 se recluta a la cromatina para ejercer su función. Por ello, decidimos identificar las proteínas que interaccionan con TET2 y que podrían mediar en su localización específica en la cromatina.
Entre todos los candidatos que encontramos, nos llamó la atención una proteína, conocida como PSPC1, que poseía la habilidad de unirse tanto a moléculas de ADN como de ARN (Guallar et al., 2018). Interesantemente, encontramos que PSPC1 no sólo era responsable de la presencia de TET2 en la cromatina, sino que esta función dependía de la capacidad de PSPC1 de interaccionar con moléculas de ARN. En este sentido, nuestro estudio apoyaba a otros trabajos recientes mostrando la existencia de una mutua retroalimentación a nivel de regulación entre epigenética y transcripción.
Por otro lado, nuestros análisis determinaron que el complejo TET2-PSPC1 era capaz de modificar químicamente las moléculas de ARN con las que interaccionaba, mediante la oxidación de grupos 5-metilo- a 5-hidroximetilo en sus citosinas. Este descubrimiento ponía de relieve la existencia de un nuevo mecanismo de regulación epigenética a través del control del balance entre los niveles de las marcas 5mC y 5hmC en el ARN, lo que se vio apoyado por un estudio realizado por un grupo independiente (Shen et al., 2018).
Además, encontramos que entre los ARNs modificados por el complejo TET2-PSPC1, destacaba la presencia de retrovirus endógenos (ERVs). Estos fragmentos repetitivos de ADN conforman hasta el 20% de nuestro genoma, y su desregulación está siendo intensamente investigada por su relación con enfermedades asociadas al proceso de envejecimiento (ej. Alzheimer, ELA y cáncer) (Pal and Tyler, 2016). En nuestro trabajo, encontramos que TET2 regula a nivel post-transcripcional las moléculas de ARN que contienen a los ERVs. En concreto, la interacción de TET2 con estas especies a través de PSPC1 conlleva la oxidación de la marca 5mC, llevando a la desestabilización de dichas moléculas de ARN. De esta forma, el complejo TET2-PSPC1 contribuye a la estricta regulación de los ERVs. Esto resulta de especial relevancia, ya que la desregulación en los niveles de estos elementos parasíticos va a interferir con el correcto funcionamiento de la célula huésped a diferentes niveles. Por un lado, en el momento de la integración en el genoma, una nueva copia de estos elementos puede afectar la expresión de los genes cercanos al sitio de integración. Además, algunos de estos elementos pueden llegar a expresar proteínas virales que interferirían con la correcta toma de decisiones celulares.
Dada la importancia de regular de forma precisa la expresión de los ERVs en cada tipo celular de nuestro organismo, no nos resultó extraño encontrar que, además de la ya descrita función catalítica sobre dichos RNAs, el complejo TET2-PSPC1 contribuía con un segundo nivel de regulación adicional al control de esto elementos móviles. En concreto, identificamos que este complejo participaba en el reclutamiento de proteínas con actividad deacetilasa de histonas (HDAC1/2). Nuestros resultados posicionan a TET2 en un lugar preferente sobre la regulación de estos elementos parasíticos de ADN a nivel celular.
En conjunto, en nuestro estudio mostramos por primera vez que TET2, considerada únicamente como una proteína clave en el control de los niveles de metilación en el ADN, posee la capacidad de modificar moléculas de ARN a través de la deposición de la marca epigenética 5hmC. Teniendo en cuenta la naturaleza reversible de estas modificaciones químicas, nuestros hallazgos sitúan tanto a TET2 como a su compañero PSPC1 como posibles dianas terapéuticas a examinar cuidadosamente en patologías asociadas con desregulación de los retrovirus endógenos. Además, la caracterización de las dianas de TET2 en diversos contextos celulares de homeóstasis y patogénesis será clave para entender cómo la desregulación de la función de este factor epigenético contribuye al desarrollo de enfermedades de gran impacto en nuestra sociedad.
Referencia: Guallar, et al. RNA-dependent chromatin targeting of TET2 for endogenous retrovirus control in pluripotent stem cells. Nat Genet. 2018 Feb 26. doi: http://dx.doi.org/10.1038/s41588-018-0060-9
Bibliografía
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Fidalgo, M., Huang, X., Guallar, D., Sanchez-Priego, C., Valdes, V.J., Saunders, A., Ding, J., Wu, W.S., Clavel, C., and Wang, J. (2016). Zfp281 Coordinates Opposing Functions of Tet1 and Tet2 in Pluripotent States. Cell Stem Cell 19, 355–369.
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Tahiliani, M., Koh, K.P., Shen, Y., Pastor, W.A., Bandukwala, H., Brudno, Y., Agarwal, S., Iyer, L.M., Liu, D.R., Aravind, L., et al. (2009). Conversion of 5-methylcytosine to 5-hydroxymethylcytosine in mammalian DNA by MLL partner TET1. Science (80-. ). 324, 930–935.
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New mechanisms of epigenetic regulation through the cell identity regulator TET2
Diana Guallar 1 and Miguel Fidalgo 1.
1CiMUS, Universidade de Santiago de Compostela–Health Research Institute (IDIS), Santiago de Compostela, Coruña, Spain.
Understanding the molecular mechanisms that govern cell identity of each cellular type in our body is still one of the biggest challenges in biomedical research. Specifically, those pathways that are affected at the cellular level, and give rise to a specific pathology, are of special interest for therapeutics. Numerous epigenetic mechanisms have been shown to be deregulated in a variety of human diseases, including metabolic alterations, neurodegenerative disorders and cancer. Epigenetics can be defined as the chemical modifications that take place in histones, DNA and RNA molecules, and that define the transcriptional landscapes of each cell type. This regulatory mechanism endows that different cell types (i.e. a neuron and a hepatocyte) from the same individual, with identical genetic material, can have such different functions.
Methylation of cytosines in DNA (5mC) is among the epigenetic modifications identified up to date. 5mC levels are critical for transcriptional regulation and seem to be altered in several human diseases such as cancer. Nevertheless, in spite of its key role in gene expression, it was not until recently that the TET proteins, capable of removing 5mC from DNA, were discovered (Tahiliani et al., 2009). The TET (Ten-eleven-translocation) proteins can oxidize the methyl groups from cytosines, to give rise to intermediates such as 5-hydroximethylcytosine (5hmC), that will ultimately lead to the removal of the 5mC repressive mark from DNA. Among the three members of the TET family, TET2 stands out for its roles in embryonic stem cell identity regulation (Fidalgo et al., 2016) and for being deregulated in cancers, such as leukemia (Bowman and Levine, 2017).
Albeit of its importance, the mechanisms by which TET2 is recruited to chromatin to exert its function, remain unknown. For that reason, we decided to identify the proteins that interact with TET2, and that could mediate its specific localization at the chromatin level. Among all the identified candidates, the protein PSPC1, that can bind both DNA and RNA, caught our attention (Guallar et al, 2018). Interestingly, we found that PSPC1 is not only responsible for TET2 binding to chromatin, but also that this recruitment is dependent on PSPC1 ability to interact with RNA. In that sense, our study supports recent work that proposes the existence of feedback regulatory loops between epigenetics and transcription.
On the other hand, our analysis determined that the TET2-PSPC1 complex is able to chemically modify the RNA molecules it interacted with, through oxidation of 5-methyl to 5-hydroxymethyl groups in cytosines. This discovery highlights the existence of a new epigenetic regulatory mechanism to balance 5mC and 5hmC levels in RNA, and was supported by a study performed by an independent laboratory (Shen et al., 2018). Surprisingly, we found endogenous retrovirus (ERVs) among TET2-PSPC1 bound RNA species. These repetitive DNA fragments account for more than 20% of our genome, and their deregulation has been correlated with illnesses related to the ageing process (i.e. Alzheimer, ALS and cancer) (Pal and Tyler, 2016). In our study, we find that TET2 regulates ERV RNAs at a post-transcriptional level. In particular, TET2 interaction with ERV RNA species through PSPC1, leads to the oxidation of 5mC, and their ultimate destabilization, therefore involving TET2-PSPC1 complex in the strict regulation of these parasitic elements.
The relevance of this finding comes from the observation that the deregulation of these parasitic elements can interfere with the correct functioning of the host cell at different levels. On the one hand, genomic insertion of new copies of ERVs can affect the expression of genes surrounding the site of integration at the host genome. On the other, some of these RNAs have retained their coding potential, therefore leading to the expression of viral proteins that can interfere with cellular decisions. Because each cell type of our organism requires such an exquisite regulation of ERV expression, we were not surprised to find that TET2-PSPC1 contribute to retrovirus regulation through a second layer of epigenetic repression by recruiting histone deacetylases (HDAC1/2) to chromatin. Our results place TET2 as a master regulator of these parasitic DNA elements at the cellular level.
Overall, our study shows for the first time that TET2, which was only regarded as a key protein for DNA methylation regulation, has the ability to modify RNA through deposition of the 5-hydroxymethylcitosine. Considering the reversible nature of epigenetic modifications, our findings position TET2, as well as PSPC1, as potential therapeutic targets that will need to be carefully examined in pathologies where a deregulation of endogenous retrovirus has been observed. Moreover, the characterization of TET2 RNA targets in several cellular contexts of homeostasis and pathogenesis will be key to understand how the deregulation of this epigenetic factor contributes to the onset of diseases with high negative impact in our societies.
Reference
Guallar, et al. RNA-dependent chromatin targeting of TET2 for endogenous retrovirus control in pluripotent stem cells. Nat Genet. 2018 Feb 26. doi: 10.1038/s41588-018-0060-9. [Epub ahead of print]
Bibliography
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