Genome-wide analyses of transcriptional regulation mediated by estrogen receptor alpha in human breast cancer cell line MCF-7

Abstract

Das Steroidhormon Östrogen spielt eine zentrale Rolle bei der Genregulation in hormonresponsiblen Brustkrebszellen, und zwar vermittels Estrogenrezeptoren (ERs), von denen ER eines der wichtigsten Isoforme darstellt. Nach der Aktivierung durch E2 bindet ER in kurzer Zeit an Tausenden von genomischen Positionen, rekrutiert Coregulatoren, Chromatinmodifikatoren und den grundlegenden Transkriptionsapparat und beinflusst letztlich auf diese Weise die Expression von Zielgene. Um die Mechanismen aufzudecken, durch die ERα die Genexpression verändert, wurden genomweit sowohl die ERα Bindestellen als auch die durch E2-Stimulation verursachten Änderungen der Genexpression untersucht. Aus unseren ChIP-Seq Ergebnissen, ergänzt durch bereits zuvor veröffentlichte Daten, konnten 4543 zuverlässige ERα Bindestellen für den Zeitpunkt 45 Minuten nach der Behandlung mit E2 bestimmt werden, zum großen Teil außerhalb von Promotorregionen gelegen. Interessanterweise konnten wir entgegen den meisten bisheriger Studien eine erhebliche Anzahl von ERα Bindungsvorkommen in Abwesenheit von E2 beobachten. Zur Bestimmung der Transkriptionsänderungen durch Stimulation mit E2 kamen moderne RNA-Seq-Verfahren zur Anwendung. Um zwischen einer Regulation der Transkription und post-transkriptionalen Vorgängen unterscheiden zu können, wurde die Genexpression sowohl für die gesamte RNA als auch für neu-synthetisierte RNA zu verschiedenen Zeitpunkten nach der Behandlung mit E2 gemessen. Eine differentielle Regulation wurde bei insgesamt 722 Gene festgestellt, welche nach dem Muster ihrer Response-Dynamik in sechs Gruppen klassifiziert werden konnten. Die weitere Untersuchung der Beziehung zwischen ERα-Bindungstellen und differentiell exprimierten Genen zeigte, dass hochgeregelte Gene zu einem signifikant höheren Anteil ERα- Bindestellen in Promotornähe aufweisen als heruntergeregelte Gene. Unter den hochgeregelten Genen besaßen diejenigen, die ihre Expression bereits zu einem frühen Zeitpunkt geändert hatten, die höchste Anreicherung an ERα-Bindestellen in promotornahen oder -fernen Regionen. Insgesamt scheint die unmittelbare Auswirkung auf die Transkription durch ERα größtenteils in schneller Transkriptionsinduktion zu bestehen.

The steroid hormone estrogen plays a central role in gene regulation in hormone-responsive breast cancer cells, via estrogen receptors (ERs), of which ER is one of the most important isoforms. ER upon activation by E2 could rapidly bind to thousands of cognate genomic sites, recruit coregulators, chromatin-modifiers and the basal transcriptional machinery, and thereby ultimately modulate target gene expression. To uncover the mechanisms by which ERα dictates gene expression, we profiled both the ERα binding sites and gene expression changes induced by E2 stimulation on a genome-wide scale. Here, using our own ChIP-Seq results, complemented by previous published data, we obtained a list of 4543 high-confident ERα binding sites at 45 minutes after E2 treatment, of which the majority are at non-promoter distal regions. Interestingly, in contrast to most previous studies, we observed a significant number of ERα binding events in the absence of E2. To determine the transcriptional response induced by E2 stimulation, we applied the state-of- the-art RNA-Seq method. More specifically, to separate the transcriptional regulation from post-transcriptional events, we measure the gene expression based on both bulk RNAs and RNAs newly synthesized at different time intervals after E2 treatment. In total, 722 genes were identified to be differentially regulated, which could be categorized into six groups with different response dynamics pattern. Further analysis on the relationships between ERα binding sites and differentially expressed genes demonstrated that the upregulated genes have significantly higher proportion of promoter proximal ERα binding sites than the downregulated ones. Among the upregulated genes, those with expression changes at early time points show the highest enrichment of ERα binding at the promoter proximal or distal regions. Taken together, the direct transcriptional response mediated by ERα seems largely to be rapid transcriptional induction.