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Jun 08, 2024

Disregolazione epigenetica dal transito cromosomico nei micronuclei

Nature volume 619, pagine 176–183 (2023)Cita questo articolo 31k Accessi 2 Citazioni 258 Dettagli metriche altmetriche Questo articolo è stato aggiornato Instabilità cromosomica (CIN) e alterazioni epigenetiche

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L'instabilità cromosomica (CIN) e le alterazioni epigenetiche sono caratteristiche dei tumori avanzati e metastatici1,2,3,4, ma non è noto se siano meccanicamente collegate. Qui mostriamo che la misgregazione dei cromosomi mitotici, il loro sequestro nei micronuclei5,6 e la successiva rottura dell'involucro micronucleare7 interrompono profondamente le normali modificazioni post-traduzionali degli istoni (PTM), un fenomeno conservato negli esseri umani e nei topi, così come nel cancro e nei non- cellule trasformate. Alcuni dei cambiamenti nei PTM istonici si verificano a causa della rottura dell'involucro micronucleare, mentre altri sono ereditati da anomalie mitotiche prima che si formi il micronucleo. Utilizzando approcci ortogonali, dimostriamo che i micronuclei mostrano ampie differenze nell'accessibilità della cromatina, con un forte pregiudizio posizionale tra promotori e regioni distali o intergeniche, in linea con le ridistribuzioni osservate dei PTM istonici. L'induzione della CIN provoca una diffusa disregolazione epigenetica e i cromosomi che transitano nei micronuclei sperimentano anomalie ereditarie nella loro accessibilità molto tempo dopo essere stati reincorporati nel nucleo primario. Pertanto, oltre ad alterare il numero di copie genomiche, la CIN promuove la riprogrammazione epigenetica e l’eterogeneità nel cancro.

La CIN guida la progressione del tumore, in parte attraverso la generazione di eterogeneità del numero di copie genomiche, che funge da substrato per la selezione naturale2,4,8,9,10. La CIN è associata a metastasi11, resistenza terapeutica12 ed evasione immunitaria13,14 ed è il risultato dell'errata segregazione dei cromosomi durante la mitosi15. Una caratteristica delle cellule tumorali con CIN è la presenza di cromosomi in ritardo nell'anafase15. I cromosomi disgregati finiscono spesso nei micronuclei, che hanno involucri soggetti a rottura, esponendo il loro contenuto genomico al citosol6,11,16,17. Il diffuso danno al DNA derivante da tale rottura può catalizzare anomalie genomiche, inclusi complessi riarrangiamenti cromosomici noti come cromotripsi18,19. I cromosomi incapsulati nei micronuclei sono spesso totalmente o parzialmente reintegrati nel nucleo primario dopo la mitosi e come tali possono propagare le anomalie genetiche acquisite, mentre si trovano nel micronucleo, alle cellule figlie18,19. In contrasto con le ramificazioni genomiche della missegregazione cromosomica, si sa poco sugli effetti del transito cromosomico nei micronuclei sull'integrità del paesaggio epigenetico.

Per determinare le conseguenze epigenetiche del sequestro cromosomico nei micronuclei, abbiamo utilizzato la microscopia a immunofluorescenza per valutare lo stato dei PTM istonici canonici nelle cellule epiteliali mammarie umane non trasformate (MCF10A), nelle cellule epiteliali pigmentate retiniche immortalate con telomerasi (RPE-1), cellule di cancro ovarico sieroso di grado (HGSOC) (OVCAR-3) e cellule di cancro al seno triplo negativo sia umane che murine (MDA-MB-231 e 4T1, rispettivamente). Abbiamo osservato differenze sostanziali nella distribuzione dei PTM istonici confrontando nuclei primari e micronuclei. I micronuclei presentavano riduzioni del segno di attivazione trascrizionale, l'acetilazione della lisina, in più residui lungo la coda dell'istone H3 (H3K9ac, H3K27ac e, in misura minore, H3K14ac, che veniva perso solo nelle cellule tumorali). Inoltre, i due siti canonici di ubiquitinazione sugli istoni, la mono-ubiquitinazione repressiva dell'istone H2A (H2AK119ub) e la mono-ubiquitinazione gene-corpo-specifica dell'istone H2B (H2BK120ub), hanno mostrato riduzioni sostanziali, con una perdita quasi completa di H2BK120ub ( Fig. 1a,b e dati estesi Fig. 1a,b). Le modifiche ai modelli PTM dell'istone nei micronuclei sono state notevolmente conservate tra le cellule non trasformate e derivate dal cancro, nonché tra le specie, indipendentemente dalla velocità basale della formazione dei micronuclei (Fig. 1b e Dati estesi Fig. 1b, c). Sebbene alcuni importanti eventi di metilazione della lisina sull'istone H3 siano stati preservati nei micronuclei, altri, come H3K9me3, H3K27me3 e H3K36me3, sono stati arricchiti (Dati estesi Fig. 1d). Il trattamento con l'inibitore della pan-istone deacetilasi (HDAC) vorinostat ha portato al ripristino quasi completo dei segnali H3K9ac, H3K14ac e H3K27ac nei micronuclei, mentre il trattamento con l'inibitore EZH2 GSK126 ha portato a una riduzione dell'intensità della colorazione H3K27me3 (Fig. 1c e Dati estesi Fig. 2a–e). Questi cambiamenti nei PTM degli istoni indicano un equilibrio alterato degli enzimi che modificano gli istoni, molti dei quali sono risultati assenti nei micronuclei (Dati estesi Fig. 2f-h). Inoltre, abbiamo osservato una ridotta fosforilazione della subunità B1 (RPB1) dell'RNA polimerasi II nei micronuclei rispetto ai nuclei primari, suggerendo una ridotta attività trascrizionale (Dati estesi Fig. 2i,j).