Ces modifications augmentent l'accessibilité de la chromatine, influençant la croissance, la différenciation et le transport des ions, avec des effets contrastés sur les cellules cancéreuses normales et colorectales.
Étude: Les métabolites des acides gras à chaîne courte, le propionate et le butyrate, sont des éléments régulateurs épigénétiques uniques reliant l'alimentation, le métabolisme et l'expression des gènes.. Crédit d’image : Love Employee/Shutterstock.com
Dans une étude récente publiée dans Métabolisme naturelun groupe de chercheurs a étudié l'impact des marques d'histones dérivées des acides gras à chaîne courte (SCFA) (propionylation et butyrylation) sur l'accessibilité de la chromatine et la régulation des gènes dans les cellules normales et colorectales du cancer (CRC) et dans les intestins de souris.
Sommaire
Arrière-plan
Les modifications post-traductionnelles des histones (PTM) interviennent dans l’interaction entre le métabolisme et l’épigénétique, influençant la santé et la maladie. Au-delà de l'acétylation, les acylations de lysine à chaîne courte comme la propionylation (Kpr) et la butyrylation (Kbu) lient le métabolisme à la régulation des gènes via la disponibilité de l'acyl-coenzyme A. (acyl-CoA).
Ces modifications sont en corrélation avec les états métaboliques, impactant l’accessibilité et la transcription de la chromatine. Les SCFA, tels que le propionate et le butyrate, dérivés du métabolisme des fibres alimentaires, servent de substrats pour l'acylation des histones et présentent des effets antiprolifératifs dans le cancer en modifiant la structure de la chromatine.
Malgré ces découvertes, les mécanismes précis par lesquels les SCFA régulent la chromatine et l’expression des gènes restent flous, ce qui nécessite des recherches supplémentaires pour découvrir leur potentiel thérapeutique.
À propos de l'étude
SW480 (dérivé d'un adénocarcinome primaire du côlon), CCD841 (une lignée cellulaire épithéliale du côlon non tumorigène) et CT26 (une lignée cellulaire de carcinome colorectal murin) ont été cultivés dans des milieux appropriés avec des suppléments tels que du sérum de veau fœtal (FBS) et pénicilline-streptomycine.
Les cellules ont été maintenues à des températures spécifiques (33°C pour le CCD841, 37°C pour les autres) dans une atmosphère humidifiée contenant 5 % de dioxyde de carbone (CO₂). Des traitements au propionate de sodium (NaPr) et au butyrate de sodium (NaBu) ont été appliqués à différentes concentrations pendant 12 heures pour évaluer les réponses cellulaires. Toutes les lignées cellulaires ont été authentifiées à l’aide d’un profilage de répétitions en tandem courtes (STR) et testées pour détecter la contamination par les mycoplasmes.
Les protéines histones ont été extraites à l'aide d'une méthode à base d'acide et quantifiées à l'aide d'un test à l'acide bicinchoninique (BCA). Des concentrations égales ont été résolues par électrophorèse sur gel de Polyacrylamide sur des gels à gradient, transférées sur des membranes de nitrocellulose et analysées par immunoblot avec des anticorps primaires et secondaires.
Des signaux chimiluminescents ont été développés pour identifier les modifications des histones. Acide ribonucléique (ARN) ont utilisé des ARN en épingle à cheveux courts (shRNA) et des acides désoxyribonucléiques (ADNc) pour cibler l'histone acétyltransférase 1 (HAT1) et étudier son rôle dans l'acétylation.
La viabilité cellulaire a été évaluée à l'aide d'un test basé sur la fluorescence, mettant en évidence les effets différentiels des traitements au NaPr, au NaBu et à la trichostatine A (TSA).
L'extraction des histones acides et la spectrométrie de masse ont révélé des modifications des histones dépendantes de la dose par le NaPr marqué au 13C. Le séquençage d'immunoprécipitation de la chromatine (ChIP-seq), le test de séquençage de la chromatine accessible à la transposase (ATAC-seq) et les tests de clivage sous cibles et de tagmentation (CUT&Tag) ont été réalisés pour cartographier les modifications des histones et l'accessibilité de la chromatine.
Résultats de l'étude
H3K18 et H4K12 ont été choisis pour cette étude en raison de leur association connue avec de mauvais résultats dans le CCR. Pour étudier les modifications dérivées des SCFA, les cellules CRC ont été traitées avec NaPr et NaBu à des concentrations physiologiquement pertinentes (0-10 mM).
À l’aide d’anticorps spécifiques à la modification, la présence de lysine Kpr et Kbu a été détectée sur les histones H3K18 et H4K12, des immunoblots confirmant le dépôt dose-dépendant de ces marques.
L'analyse par spectrométrie de masse avec du NaPr marqué de manière isotopique a en outre validé l'incorporation directe de SCFA sous forme de propionyl-CoA et de butyryl-CoA, facilitant ainsi l'acylation des histones. Notamment, l'histone acétyltransférase 1 (HAT1) a été impliquée dans la médiation de l'incorporation de Kpr sur H4K12, car l'épuisement de HAT1 a réduit cette modification.
La supplémentation en SCFA a également influencé les niveaux intracellulaires d'acyl-CoA. Les niveaux de propionyl-CoA et de butyryl-CoA ont augmenté de manière dose-dépendante, en corrélation avec des modifications plus élevées des histones, tandis que les niveaux d'acétyl-CoA sont restés inchangés avec le propionate mais ont diminué avec la supplémentation en butyrate.
Ces résultats suggèrent que les SCFA modifient le paysage cellulaire de l'acyl-CoA, contribuant ainsi à des résultats épigénétiques distincts. Les analyses fonctionnelles ont démontré que Kpr et Kbu augmentaient l'accessibilité de la chromatine par rapport à l'acétylation (Kac), soulignant leur rôle dans la régulation transcriptionnelle.
Une analyse à l'échelle du génome a révélé que les H3K18pr et H4K12pr dérivés du propionate étaient associés à des régions régulatrices spécifiques, en particulier à des gènes liés à la croissance, à la différenciation et aux voies de signalisation telles que le facteur de croissance transformant bêta (TGF-β) et le facteur de croissance sans ailes/intégré et bêta-caténine. Voie de signalisation (Wnt/β-caténine).
Les modèles de liaison différentielle ont mis en évidence des motifs distincts de facteurs de transcription, notamment Mothers Against Decapentaplegic Homolog 2/3 (SMAD2/3) et Jun Proto-Oncogene B (JUNB).
La supplémentation en butyrate, en revanche, a montré un enrichissement en gènes régulant la motilité cellulaire, l'adhésion et l'organisation de l'actine, avec une liaison significative aux loci oncogènes tels que le proto-oncogène de la myélocytomatose (MYC) et le proto-oncogène de Fos (FOS).
Dans les cellules normales, les marques Kbu étaient liées aux jonctions adhérentes et au transport des ions. En revanche, dans les cellules CRC, ils étaient associés à une prolifération mésenchymateuse et à une signalisation apoptotique, reflétant les rôles contrastés des SCFA dans les tissus normaux et cancéreux.
L'intégration des données ChIP-seq, ATAC-seq et RNA-seq a souligné l'impact transcriptionnel des SCFA, démontrant une régulation positive des gènes liés à la différenciation et la suppression des régulateurs du cycle cellulaire.
Les modifications des histones induites par les SCFA étaient corrélées à une meilleure accessibilité de la chromatine et à l'activation transcriptionnelle des gènes cibles, renforçant ainsi leur potentiel en tant que modulateurs de l'épigénétique du CCR. Des études sur des souris ont confirmé la pertinence in vivo de ces résultats, le métabolisme des fibres alimentaires entraînant des modifications similaires de la chromatine dans le tissu intestinal.
Conclusions
Pour résumer, les SCFA, tels que le propionate et le butyrate, sont des métabolites dérivés du microbiome qui jouent un rôle régulateur épigénétique important. À l’aide du profilage des modifications post-traductionnelles des histones, ChIP-seq, CUT&Tag, ATAC-seq et RNA-seq, l’étude a identifié des régions génomiques et des voies influencées par la lysine Kpr et Kbu sur les histones H3 et H4 dans les cellules CRC et normales.
Il a été démontré que les SCFA augmentent l’accessibilité de la chromatine, régulent les voies oncogènes telles que Wnt/β-caténine et TGF-β et modifient l’expression de gènes tels que MYC et FOS.
Ces résultats suggèrent que les SCFA modulent directement l’expression des gènes et l’homéostasie épithéliale, soulignant ainsi leur potentiel thérapeutique dans la prévention et le traitement du CCR par le biais d’interventions diététiques ou microbiennes.
