Open chromatin and transcriptional regulation of dermal myofibroblasts in SSc

SSc 中真皮肌成纤维细胞的开放染色质和转录调控

基本信息

项目摘要

The leading cause of death in systemic sclerosis (SSc) is the fibrotic complication, interstitial lung  disease  (ILD),  but  skin  fibrosis  is  a  leading  cause  for  morbidity  resulting  in  disfiguring,  painful  and  itchy  skin, and joint contractures. The emergence and expansion of myofibroblasts as the main profibrotic cell  underlies  the  pathogenesis  of  both  SSc  skin  and  ILD.  Although  much  is  understood  about  myofibroblast  biology  in  vitro  and  in  murine  models  of  fibrosis,  the  cell  source  and  molecular  signals  driving  myofibroblast  differentiation  in  SSc  remain  obscure.  We  have  recently  identified  SSc  dermal  myofibroblasts,  SFRP2-­‐expressing  myofibroblast  progenitors  and  the  associated  altered  transcriptome  by  single  cell  RNA-­‐sequencing  (scRNA-­‐seq).  In  order  to  understand  the  underlying  drivers  of  myofibroblast  differentiation  we  will  examine  the  epigenetic  and  transcriptional  control  of  genes  regulated in SSc skin myofibroblasts. We have analyzed our scRNA-­‐seq transcriptome data using SCENIC,  a  computational  method  developed  for  detecting  transcription  factor  (TF)-­‐associated  regulatory  networks  (regulons).  In  scRNA-­‐seq  analysis  of  SSc  myofibroblasts,  we  saw  upregulated  regulons  associated  with  the  TFs:  FOXP1,  NPDC1,  IRF7,  ZEB1,  HSF1  and  FOSL2.  In  the  first  aim  of  the  R61  phase  we  will  test  the  role  of  predicted  TFs  in  regulating  myofibroblast  transcriptome  in  dermal  fibroblasts.  Primary fibroblast cultures from SSc and healthy skin biopsies will be transfected with dCas9-­‐CRISPRa or  dCas9-­‐CRISPRi and single guide RNAs (sgRNAs) targeting FOXP1, NPDC1, IRF7, ZEB1, HSF1 or FOSL2, or  SMAD2  or  SMAD3  as  positive  controls  for  the  canonical  TGFβ  regulated  pathway.  Cells  will  then  be  analyzed  by  scRNA-­‐seq,  cDNA  libraries  prepared,  sequenced,  and  analyzed  for  alterations  in  gene  expression  (PERTURB-­‐seq).  Gene  expression  by  TF-­‐perturbed  cells  will  be  compared  to  unperturbed  cells  of  the  same  SFRP2+  fibroblast  phenotype.  Recent  technological  advances  have  also  provided  methodology  for  single  cell  Assay  for  Transposase  Accessible  Chromatin  by  Sequencing  (scATAC-­‐seq)  permitting  assessment  of  epigenetic  changes  in  DNA  that  reflect  regions  of  TF  binding  to  DNA.  In  the  second  aim  of  the  R61  phase  we  will  analyze  open  chromatin  in  cells  from  skin  biopsies  from  healthy  and  SSc  patients  by  scATAC-­‐seq.  Peaks  of  open  chromatin  in  myofibroblasts  will  be  identified  and  compared to open chromatin in myofibroblast progenitor, SFRP2-­‐expressing fibroblasts. We will focus on  analyzing  chromatin  remodeling  of  genes,  such  as  SFRP4  and  WIF1  that  show  altered  expression  by  SSc  myofibroblasts.  We  will  correlate  predicted  TF  binding  sites  in  open  chromatin  with  TF  regulation  of  myofibroblast  associated  genes  identified  in  aim  1.    In  the  R33  phase  we  will  confirm  the  results  in  the  R61  phase  by  overexpressing  TFs  shown  to  regulate  myofibroblast  genes,  singly  or  in  combination,  and  analyzing the effects on chromatin remodeling, and on myofibroblast differentiation.
系统性硬化症(SSc)死亡的主要原因是纤维化并发症,间质性肺 疾病(ILD),但皮肤纤维化是导致毁容、疼痛和瘙痒的发病主要原因 皮肤和关节挛缩作为主要促纤维化细胞的肌成纤维细胞的出现和扩张。 尽管人们对肌成纤维细胞了解甚多,但它是 SSc 皮肤和 ILD 发病机制的基础。 体外生物学和纤维化小鼠模型、细胞来源和分子信号驱动 SSc 中的肌成纤维细胞分化仍然不清楚。我们最近发现了 SSc 真皮。 肌成纤维细胞、表达 SFRP2 的肌成纤维细胞祖细胞和相关的转录组改变 通过单细胞 RNA 测序 (scRNA-seq) 来了解潜在的驱动因素。 肌成纤维细胞分化我们将检查基因的表观遗传和转录控制 我们使用 SCENIC 分析了我们的 scRNA-‐seq 转录组数据, 为检测转录因子 (TF) 相关调控而开发的计算方法 在 SSc 肌成纤维细胞的 scRNA-seq 分析中,我们发现调节子上调。 与 TF 相关的:FOXP1、NPDC1、IRF7、ZEB1、HSF1 和 FOSL2 在 R61 阶段的第一个目标中。 我们将测试预测的 TF 在调节真皮成纤维细胞中肌成纤维细胞转录组中的作用。 来自 SSc 的原代成纤维细胞培养物和健康皮肤活检将用 dCas9-CRISPRa 或 dCas9-CRISPRi 和单向导 RNA (sgRNA) 靶向 FOXP1、NPDC1、IRF7、ZEB1、HSF1 或 FOSL2,或 SMAD2 或 SMAD3 作为典型 TGFβ 调节细胞的阳性对照。 通过 scRNA-‐seq 进行分析,制备 cDNA 文库、测序并分析基因的改变。 TF-扰动细胞的基因表达将与未扰动的细胞进行比较。 最近的技术进步也提供了具有相同 SFRP2+ 成纤维细胞表型的细胞。 通过测序转座酶可及染色质的单细胞测定方法 (scATAC-‐seq) 允许评估 DNA 中反映 TF 与 DNA 结合区域的表观遗传变化。 R61 阶段的第二个目标是,我们将分析健康皮肤活检细胞中的开放染色质 通过 scATAC-seq 识别和 SSc 患者肌成纤维细胞中开放染色质的峰。 与肌成纤维细胞祖细胞中的开放染色质相比,表达 SFRP2 的成纤维细胞。 分析基因的染色质重塑,例如 SFRP4 和 WIF1,这些基因显示 SSc 改变了表达 我们将开放染色质中预测的 TF 结合位点与 TF 调节相关联。 目标 1 中确定的肌成纤维细胞相关基因。在 R33 阶段,我们将确认结果 R61 阶段通过过表达 TF 来单独或组合调节肌成纤维细胞基因,以及 分析对染色质重塑和肌成纤维细胞分化的影响。

项目成果

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