Sejtazonosság kromatin szintű komponenseinek jellemzése
Title in English
Chromatin level determinants of cell identity
Keywords in Hungarian
kromatin, daganat, magreceptor
Keywords in English
chromatin, tumour, nuclear receptor
Discipline
Transcriptomics (Council of Medical and Biological Sciences)
35 %
Genomics, comparative genomics, functional genomics (Council of Medical and Biological Sciences)
35 %
Epigenetics and gene regulation (Council of Medical and Biological Sciences)
30 %
Panel
Genetics, Genomics, Bioinformatics and Systems Biology
Department or equivalent
Department of Biochemistry and Molecular Biology (University of Debrecen)
Participants
Arányi, Tamás Erdős, Edina Laczik, Miklós Mianesaz, Hamidreza Nagy-Bojcsuk, Dóra Ozgyin, Lilla Póliska, Szilárd Szabó, Gábor Uray, Iván Péter
Starting date
2018-10-01
Closing date
2022-12-31
Funding (in million HUF)
33.483
FTE (full time equivalent)
9.82
state
closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. A daganatokban egy normál működésű genom alakul át oly módon, hogy a sejt osztódása kontrollálatlan, növekedése határtalan és ez a szervezet elpusztításához vezet. A genom működését kromatin szintű mechanizmusok szabályozzák, kijelölve az aktív és különböző módon inaktivált régiók határait. Ezen kromatin szintű szabályozás meghatározó elemei a szuperenhanszerek és a hozzájuk kapcsolódó transzkripciós faktorok, határ elemei pedig a DNS/kromatin hurkok stabilizálását végző fehérje komplexek. A daganatos sejtek átalakulása a sejtazonosságának megváltozása genotipus és fenotipus szinten is azonosítható, az átalakulások kezdeti fázisa kromatin szinten történik. Kutatásunk célja ezen kromatin szintű események jellemzése.
Kutatásunk során a COUP-TFII (NR2F2) transzkripciós faktor szintjének változására bekövetkező genetikai programok átrendeződését fogjuk vizsgálni különös tekintettel a szuperenhanszerek átrendeződésére és a kromatin hurkok átalakulására.
A kutatás alapja (1) az a klinikai megfigyelés, hogy emlődaganatokban magas COUP-TFII (NR2F2) expressziós szint a túlélési időt kétszeresére hosszabítja, (2) valamint az a publikált adat mely szerint az NR2F2 gátló hatást fejt ki az epitelialis-mezenchimális tranzicióra.
Mi a kutatás alapkérdése? Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek. A kutatás alapkérdése az egymástól elkülönülő sejt fenotípusok molekuláris jellemzőinek a megértése. A kérdés amit vizsgálunk, hogy a daganatos sejtek evolúciója során kialkuló sejttípusok hogyan indítanak be új genetikai programokat melyek révén invazivitásuk megváltozik. Hipotézisünk szerint a daganat sejtekre jellemző nagyfokú genetikai variabilitás és kromoszóma elváltozások kialakulását megelőzi egy kromatin szintű átrendeződés amikor a kromatin hurok rendszer stabilitása megbomlik és ez beindítja/lehetővé teszi a genetikai variabilitás kialakulását. Az új fenotípus kialakulása genetikai, transzkriptomikai és kromatin szintű komponensek összességéből áll. Hipotézisünk szerint a COUP-TFII transzkripciós faktor magasabb expressziós szintje két módon járul hozzá a jobb prognózishoz emlődaganats betegekben: (1) stabilizálja a CTCF mediált hurokrendszert és (2) stabilizálja a szuperenhanszerek működését. Kísérleteink során a COUP-TFII szintjének modulálására bekövetkező szuperenhanszer változásokat és a hurokrendszer változásait fogjuk térképezni és összevetni az epiteliális-mezenchimális tranzició során bekövetkező változásokkal. Kisérleteink eredményeképpen a daganat progresszió/evolúció egy kezdeti fázisát ismerhetjük meg mely kutatás lehetőséget biztosít olyan további kutatások tervezésére melynek célja a daganatos betegségek progressziójának lassítása.
Mi a kutatás jelentősége? Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának! Annak ellenére, hogy a daganatok genomikai térképezése és a daganatsejtvonalak mindenre kiterjedő térképezése nagy konzorciális kutatások eredményeként elkészült és az utóbbi években több célzott biológiai terápia bevezetésre került az így nyert tudás és terápiás eszközök előrehaladott betegségben nem tudnak hasznosulni. A daganatos megbetegedések esetén túlságosan sokszor a daganatok terjedése annyira felgyorsul, hogy a klinikus eszköztelen marad ebben a versenyben.
A genom működését a benne jelen levő transzkripciós faktorok határozzák meg melyek szuperenhanszerekbe csoportosúlnak és kromatin hurkokban történik a szabályozásuk. Kísérleteink során megvizsgáljuk a genomi instabilitás kialakulásának kezdeti lépéseit egy olyan transzkripciós faktor modulálásával (NR2F2) melynek magas génkifejeződése klinikai adatok szerint szignifikánsan jobb betegségkimenetet okoz.
Kutatásunk során az irodalomból jól ismert emlődaganat sejtvonalban módosítjuk az NR2F2 génkifejeződés szintjét és megvizsgáljuk a daganatsejtek mobilitásának növekedése során bekövetkező kromatin szintű változásokat.
Vizsgálataink által megismerhetjük hogyan befolyásolja az NR2F2 a genom kromatin szintű stabilitását és a szuperenhanszerek működését. Eredmények hozzájárulhatnak új megközelítésű daganat ellenes protokollok és kombinációs terápiák kialakításához is.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára. Annak ellenére, hogy a daganatok genomikai térképezése nagy konzorciális kutatások eredményeként elkészült és az utóbbi években több célzott biológiai terápia bevezetésre került az így nyert tudás és terápiás eszközök előrehaladott betegségben nem tudnak hasznosulni. A daganatos megbetegedések esetén túlságosan sokszor a daganatok terjedése annyira felgyorsul, hogy a klinikus eszköztelen marad ebben a versenyben.
A genom működését a benne jelen levő transzkripciós faktorok határozzák meg melyek szuperenhanszerekbe csoportosúlnak és kromatin hurkokban történik a szabályozásuk. Kísérleteink során megvizsgáljuk a genomi instabilitás kialakulásának kezdeti lépéseit egy olyan transzkripciós faktor modulálásával (NR2F2) melynek magas génkifejeződése klinikai adatok szerint szignifikánsan jobb betegségkimenetet okoz.
Vizsgálataink által megismerhetjük hogyan befolyásolja az NR2F2 a genom kromatin szintű stabilitását és a szuperenhanszerek működését. Eredmények hozzájárulhatnak új megközelítésű daganat ellenes protokollok és kombinációs terápiák kialakításához is.
Summary
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. In cancer, the genome is transformed in such a manner that the uncontrolled cell division and growth of the cancer is destroying the organism itself. The activity of the genome is controlled by distinct mechanisms on the chromatin level by determining the boundaries of active and inactive regions. Components of these regulatory processes are the superenhancers with their transcription factors and the protein complexes that determine the boundaries of chromatin domains. The changes in cell identity can be identified both on genotype and phenotype levels and their initial phase is initiated by changes on the chromatin level. We plan to characterize these chromatin level changes of tumour evolution. During our study we will investigate the chromatin level changes upon modifying the expression level of COUP-TFII (NR2F2) transcription factor with a special focus on the rearrangement of superenhancers and chromatin loops. The relevance of our investigations rely on the (1) clinical observation that in breast cancer patients higher COUP-TFII (NR2F2) expresion levels are prolongig signifficantly disease free survival times and (2) the published results that show that higher COUP-TFII (NR2F2) levels are inhibiting the epithelial-mesenchimal transition.
What is the major research question? Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments. Our study aims to better understand the molecular characteristics of componenets that are the basis of phenotypic differences between different cells. We will investigate how the specific genetic programs that confer increased invasiveness of cancer cells are initiated during cancer cell evolution. Based on our hypothesis the great genetic instability and variability of cancer cells is preceeded by an instability on chromatin level. The new phenotype will be the sum of genetic, transcriptomic and chromatin level components. Our hypothesis is that the increased level of COUP-TFII is contributing to the better prognosis of breast cancer patients by two factors: (1) it is stabilizing the CTCF mediated loop structures and (2) it is stabilizing the activities of superenhancers. During our experiments we will map the changes of superenhancer activity and loop structures during the modulation of COUP-TFII expression levels and with the changes that occur during epithelial-mesenchimal transition. As a result of our investigations we will better understand the initial phase of cancer progression/evolution that will enable further studies to slow down the progression of cancer diseases.
What is the significance of the research? Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field. Even though large consortial projects mapped the genomic variations in hundreds of cancer samples and performed comprehensive characterization of cancer cell lines and that in the last couple of years several biological therapeutics became available, this progress is of little use in later stages of the disease. In too many cases the clinician has very little possibility to fight against a cancer that is in a continuous evolutionary process and can bypass the again and again the applied therapies. The activity of the genome is regulated by the transcription factors grouped in superenhancers and regulated in chromatin loops. In the proposed experiments we will investigate how cancer cells are changed by a transcription factor (NR2F2) that was already shown in clinical datasets to correlate with better prognosis in a significant manner.
In the proposed research we will generate modified cell lines from well characterized breast cancer cell line and we will characterize the chromatin level changes that occur during the state of increased invasiveness of these cells.
Our research will provide data on how NR2F2 is changing the actvity of superenhancers and chromatin loop structures and insight into the mechanisms of cancer progression and might lead to new approaches for the development of anticancer treatments.
Summary and aims of the research for the public Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others. Even though large consortial projects mapped the genomic variations in hundreds of cancer samples and performed comprehensive characterization of cancer cell lines and that in the last couple of years several biological therapeutics became available, this progress is of little use in later stages of the disease. In too many cases the clinician has very little possibility to fight against a cancer.
The activity of the genome is regulated by the transcription factors. In the proposed experiments we will investigate the role of a transcription factor that was already shown to cause a better prognosis in breast cancer.
Our research will provide data on how NR2F2 is changing the actvity of superenhancers and chromatin loop structures and insight into the mechanisms of cancer progression and might lead to new approaches for the development of anticancer treatments.
Final report
Results in Hungarian
Pályázatunk jelentősen hozzájárult a sejt azonosság kromatin szintű összetevőinek mélyebb megértéséhez. Még mindig nem tudunk határozott válaszokat adni arra, hogy a kromatin szintű sztochasztikus események hogyan befolyásolják a génexpressziós változásokat. Több modellrendszerrel dolgoztunk: MCF-7 sejtekkel és LCL sejtekkel. Kiterjedt genomikai technológiákat és sokféle bioinformatikai eszközt használtunk. A pályázati támogatásával összesen 10 publikáció jelent meg, összesen 44,352 impakt faktorral.
2022 decemberében a Scientific Data című folyóiratban publikáltuk az öt elméletileg izogén LCL-sejtvonal összehasonlításának multiomikai adatait. Korábbi cikkünkben kimutattuk, hogy kromatin szinten az enhancerek kb. negyede különbözik az öt sejtvonal között, míg a géneknek csak kevesebb, mint 5%-a fejeződik ki eltérően. Ezen sejtvonalak teljes genom szekvenálásával be tudtuk bizonyítani, hogy bár ugyanattól a személytől származnak, mégsem izogének. Kis fokú genetikai eltéréseket még alacsony passzázsszámok mellett is azonosítani lehetett.
Bár eredményeink nem elegendőek átfogó következtetések levonásához, feltételezzük, hogy egy szervezet emberi sejtjei nem izogének, és az izogenitás fogalma puszta absztrakció, és túl kell lépnünk ezen az elavult fogalmon. Elképzelésünk szerint a genom folyamatos változásban van, és plasztikusan alkalmazkodik a folyamatosan változó környezethez.
Results in English
The received grant contributed significantly to deepen our understanding on the components of cellular identity on chromatin level. Still, we can not provide strong answers on how stochastic events on chromatin level are influencing gene expression changes. We worked with several model systems: MCF-7 cells and LCL cells. We used extensive genomic technologies and a wide variety of bioinformatic tools. A total of 10 publications were published with the support of the grant with a total impact factor of 44,352.
In December 2022 we published in Scientific Data the multiomic data of our comparison of the five theoretically isogenic LCL cell lines. In our previous paper we have shown that on chromatin level approx. a quarter of the enhancers are different between the five cell lines while only less than 5% of the genes are expressed differentially. By whole genome sequencing of these cell lines, we could prove that while the originate from the same person, still they are not isogenic. Slight genetic variations could be identified even at low passage numbers.
While our results are not sufficient to draw extensive conclusions, we speculate that human cells of an organism are not isogenic and the concept of isogenicity is a pure abstraction and we need to move past this outdated concept. We propose that the genome is in a continuous change and is in a plastic adaptation to the ever-changing environment.
