フォークヘッドボックス蛋白質O1のゲノム結合パターンは、心肥大におけるそのユニークな役割を明らかにした

Genomic Binding Patterns of Forkhead Box Protein O1 Reveal its Unique Role in Cardiac Hypertrophy.

• Jessica Pfleger
• Ryan C Coleman
• Jessica Ibetti
• Rajika Roy
• Ioannis D Kyriazis
• Erhe Gao
• Konstantinos Drosatos
• Walter J Koch

抄録

心肥大成長は、心筋細胞サイズの増大の背景にある変化と同様に、遺伝子発現の頑健な変化によって媒介される。前者はRNAポリメラーゼ（pol）IIのリクルートまたは喪失によって制御され、後者は転写開始部位（TSS）であらかじめ組み立てられたpolIIの転写伸長活性の増加を伴う。転写因子によるこれらの異なるプロセスの差動制御については、未だ不明な点が多い。フォークヘッドボックス蛋白質(Fox)O1はインスリン感受性の転写因子であり、心臓の肥大刺激によっても制御されているが、その遺伝子制御の範囲は未解明である。 そこで、我々は、7 日間のイソプロテレノール注射（Iso-3 mg/kg/日）、横大動脈収縮（TAC）、またはビヒクル注射/偽手術後のマウス心臓を対象に、FoxO1 クロマチン免疫沈降-ディープシークエンス（ChIP-Seq）を行った。 我々のデータは、心臓の肥大成長中にFoxO1のクロマチン結合が増加していることを示しており、肥大の程度と正の相関があることを示している。pol IIの動態と遺伝子発現におけるFoxO1の役割を評価するために、FoxO1 ChIP-Seqの結果を、偽マウスまたはTAC手術を受けたマウスの心臓の染色体座標におけるpol II ChIP-Seqの結果と一致させた。その結果、FoxO1はベースラインでは60％、TAC後では91％の心臓発現遺伝子のプロモーターに結合していることが明らかになった。興味深いことに、FoxO1の結合は、pol IIのリクルート、損失、または一時停止解除によって制御される遺伝子で増加している。また、FoxO1 のノックダウンまたは欠失により、エンドセリン(Et-)1-および、圧力過負荷により誘発される心筋細胞の肥大成長が抑制され、FoxO1 を含む誘発性遺伝子の減少を伴っていた。 これらのデータは、FoxO1 が pol II のリクルートと一時停止解除の制御を介して心筋肥大成長を媒介している可能性を示唆している。これらの知見は、心肥大時のFoxO1による転写制御の幅広さを示しており、その治療標的化に不可欠な情報である。

Cardiac hypertrophic growth is mediated by robust changes in gene expression, as well as changes that underlie the increase in cardiomyocyte size. The former is regulated by RNA polymerase (pol) II recruitment or loss, while the latter involves incremental increases in the transcriptional elongation activity of pol II that is preassembled at the transcription start site (TSS). The differential regulation of these distinct processes by transcription factors remains unknown. Forkhead box protein (Fox)O1 is an insulin-sensitive transcription factor, which is also regulated by hypertrophic stimuli in the heart, however, the scope of its gene regulation remains unexplored. To address this, we performed FoxO1 chromatin immunoprecipitation-deep sequencing (ChIP-Seq) in mouse hearts following 7-day isoproterenol injections (Iso- 3 mg/kg/day), transverse aortic constriction (TAC), or vehicle injection/sham surgery. Our data demonstrate increases in FoxO1 chromatin binding during cardiac hypertrophic growth, which positively correlate with extent of hypertrophy. To assess the role of FoxO1 on pol II dynamics and gene expression, the FoxO1 ChIP-Seq results were aligned with those of pol II ChIP-Seq across the chromosomal coordinates of sham- or TAC-operated mouse hearts. This uncovered that FoxO1 binds to the promoters of 60% of cardiac-expressed genes at baseline and 91% post-TAC. Interestingly, FoxO1 binding is increased in genes regulated by pol II recruitment, loss, or pause-release. , endothelin (Et-)1- and, , pressure overload, -induced cardiomyocyte hypertrophic growth is prevented with FoxO1 knockdown or deletion, which was accompanied by reductions in inducible genes, including , ,and and , . Together, our data suggest that FoxO1 may mediate cardiac hypertrophic growth via regulation of pol II recruitment and pause-release, as the latter represents the majority (59%) of FoxO1-bound, pol II regulated genes following pressure overload. These findings demonstrate the breadth of transcriptional regulation by FoxO1 during cardiac hypertrophy, information that is essential for its therapeutic targeting.