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武汉爱基百客生物科技有限公司(简称爱基百客),位于武汉高农生物园,办公面积逾3000m2,是一家专业提供单细胞与空间组学测序分析、表观组学科研服务和高通量测序分析的新型生物科技服务企业。

公司旨在为客户提供最专业的科研服务,运营至今合作的科研客户近千家,涵盖国内知名科研院所、高校以及相关生物企业,运营至今销售额超1亿元,科研成果曾多次在Science、Cancer Cell、Plant Cell、Nature Communications、J HEMATOL ONCOL等国际高水平学术期刊发表,受到了客户广泛好评,是国内成长最迅速的高通量测序科研服务企业之一。

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ChIP-seq项目文章 | Adv Sci&转录因子FOXK1通过驱动小管上皮细胞糖酵解促进慢性肾脏疾病

在慢性肾脏疾病(CKD)进展过程中,肾小管上皮细胞(TECs)经历了从脂肪酸氧化到糖酵解的能量相关代谢转变。然而,这种糖酵解爆发的机制尚不清楚。2024年7月31日,武汉大学王惠明教授和湖北民族大学刘伦志教授课题组在Advanced Science(IF:14.6)上在线发表了题为“Forkhead Box Protein K1 Promotes Chronic Kidney Disease by Driving Glycolysis in Tubular Epithelial Cells”的文章。该文报道了一种新的关键糖酵解调节因子,即转录因子叉头盒蛋白K1(FOXK1),它在肾纤维化期间在TECs中表达,并表现出纤维化和代谢重连接能力。TECs中Foxk1位点的遗传修饰改变了糖酵解代谢和纤维化病变。爱基百客提供了ChIP-seq的技术支持

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前   言

慢性肾脏疾病(CKD)已成为威胁全球公共卫生的流行病。无论其病因如何,CKD的进展最终以肾脏疾病终末期(ESRD)和与肾纤维化相关的病理改变的必然结果而告终。研究表明,TECs不仅是肾损伤的受害者,也是发生纤维化的强大驱动因素。除此之外,TECs细胞代谢的转换是肾组织纤维化病变的重要标志,也是其发生的基础。

TECs损伤期间会发生线粒体功能障碍和脂肪酸氧化(FAO)下调;此外,在CKD患者的纤维化肾脏中观察到糖酵解增强。然而,在纤维化肾脏的背景下,仍然缺乏支持TECs强劲糖酵解的直接证据。此外,考虑到FAO和糖酵解是不同的代谢途径,尽管它们是交联的,但需要阐明CKD发展过程中TECs中触发糖酵解的核心调控因子和机制。

FOXK1是FOX家族的转录因子,有报道称FOXK1通过调节糖酵解相关酶己糖激酶-II(HK2)和丙酮酸激酶M2(PKM2)介导脂肪细胞的有氧糖酵解。FOXK1是FOX家族的转录因子,具有多种功能。来自其他研究的数据表明FOX家族成员在器官纤维化中的重要作用。FOXK1是FOX家族的一员,在调控细胞自噬和细胞增殖等细胞过程中起着重要作用。值得注意的是,有报道称FOXK1通过调节糖酵解相关酶己糖激酶-II(HK2)和丙酮酸激酶M2(PKM2)介导脂肪细胞的有氧糖酵解。然而,FOXK1在CKD和TECs糖酵解中的作用在很大程度上仍未被探索。在本文中,作者利用ChIP-seq、乳酸测定、IHC等技术研究了FOXK1在TECs中启动糖酵解和肾纤维化进展中的作用。


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结果展示


 一 
在CKD进展过程中,TECs中FOXK1表达上调

为了确定FOXK1在CKD进展中的作用,作者首先分析了小鼠单侧输尿管梗阻(UUO)和单侧缺血再灌注损伤(uni-IRI)的单细胞RNA测序数据集。TECs亚群的组成,对应于不同的细胞状况或命运。并且Foxk1表达的动态轨迹与细胞命运转变和疾病发展是一致的。此外,与肿瘤旁组织相比,梗阻性肾病肾脏中FOXK1蛋白水平显著上调。CKD患者显微解剖人体肾脏样本的免疫组化(IHC)染色显示FOXK1在CKD患者中表达上调,且表达强度随CKD分期增加,诱导的FOXK1主要分布在肾小管(肾近端小管)中。

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图1 FOXK1在纤维化肾中显著上调,具有近端TEC特异性分布

 二 
TEC特异性Foxk1敲除小鼠肾纤维化模型

为了研究FOXK1在肾纤维化发展中的作用,作者构建了Foxk1条件等位基因敲除的小鼠(Foxk1flox/flox)与Ggt1-Cre小鼠。与Foxk1cKO小鼠相比,接受UUO治疗的Foxk1flox/flox小鼠的肾皮质更薄,外观更苍白,并且肾小管萎缩扩张和间质胶原沉积更为严重。接下来,作者检测了经典纤维化基因的蛋白水平,发现Foxk1flox/flox小鼠UUO肾中纤维连接蛋白(FN)和α-平滑肌肌动蛋白(𝛼-SMA)上调,而Foxk1cKO小鼠的这种诱导程度大大降低。肾组织中指示的蛋白质水平变化与mRNA水平一致。在基于UUO疾病模型的研究基础上,在另一种进行性CKD小鼠模型IRI小鼠中得到了类似的结果,证实了FOXK1在小鼠肾纤维化发展中的致病作用。

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图2 小管特异性FOXK1缺失改善UUO模型肾纤维化

 三 
FOXK1敲除减弱TGF-𝜷1诱导培养小管细胞的促纤维化作用

为了研究糖酵解与FOXK1之间的关联,作者用TGF-𝛽1(糖酵解调节因子)处理了小鼠近端小管细胞(BUMPT细胞)和人源细胞(HK-2细胞)。免疫荧光染色显示,TGF-𝛽1诱导FOXK1主要存在于HK-2细胞的细胞核内。在TGF-𝛽1刺激下,FOXK1和纤维化标志物FN、𝛼-SMA在蛋白或mRNA上均显著上调。在转染shRNA敲低FOXK1的小管细胞中,与转染对照shRNA的细胞相比,FN和𝛼-SMA在TGF-𝛽1刺激下的上调被显著抑制。这些体外实验结果表明,纤维化因子TGF-𝛽1诱导FOXK1表达和核易位,有利于TECs的促纤维化作用。

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图3 TGF-𝛽1刺激下FOXK1对TECs有促纤维化作用

 四 
TGF-𝜷1治疗增加全基因组FOXK1的占用

FOXK1是一种参与糖代谢、细胞增殖和自噬的转录因子,其功能主要通过对靶基因的转录调控来实现。为了探索FOXK1在肾纤维化中的转录调控机制,作者使用染色质免疫沉淀测序(ChIP-seq)分析了FOXK1在HK-2细胞中的全基因组分布。作者发现TGF-𝛽1处理显著提高了FOXK1在染色质上的占用率,24小时的TGF-𝛽1刺激也增加了基因区域的FOXK1信号强度。

motif分析发现,在TGF-𝛽1处理或未经处理的HK-2细胞中,FOXK1占据区域附近有几个转录因子结合位点,包括FOXK2、AP1、RUNX和NF-𝜅B。富集分析显示FOXK1结合基因与代谢过程、糖酵解/糖异生途径相关。糖酵解相关基因SLC2A2、HK1、FBP1、ALDOA、BPGM、LDHC的可视化也表明了TGF-𝛽1刺激引起FOXK1结合增加,并通过ChIP-qPCR进一步进行了证实。这些结果确定了TGF-𝛽1刺激下TECs中FOXK1能够调控糖酵解相关的靶基因

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图4 FOXK1调控糖酵解基因的转录

 五 
FOXK1促进TECs糖酵解并影响线粒体功能

随后,作者评估了FOXK1在调节培养TEC糖酵解中的作用。差异表达基因(DEG)热图显示,糖酵解相关基因受到FOXK1修饰和TGF-𝛽1处理的干扰。在TGF-𝛽1存在的情况下,BUMPT细胞和HK-2细胞的培养基呈现明显的酸性和较高的乳酸浓度。FOXK1的下调显著下调了糖酵解相关分子的蛋白水平,并导致HK-2细胞乳酸生成减少。此外,FOXK1缺乏导致接受UUO或IRI手术的FOXK1cKO小鼠的离体肾小管中乳酸生成、糖酵解相关基因mRNA水平和蛋白质水平的显著降低。

此外,作者测量了TGF-𝛽1刺激后HK-2细胞的细胞外酸化率(ECAR)和耗氧率(OCR)。TGF-𝛽1刺激可提高HK-2细胞的ECAR,降低OCR,当FOXK1被沉默时,这些作用显著减弱,当FOXK1重新表达时,这些作用增强。综上所述,这些结果表明,在患病条件下,FOXK1在TEC中向糖酵解的能量转移中起着关键作用。

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图5 FOXK1通过糖酵解相关基因的转录调控触发糖酵解

 六 
FOXK1依赖于液-液相分离(LLPS)发挥转录活性

细胞内生物大分子,如蛋白质和核酸,通过LLPS的物理化学机制自组装成液体状凝聚物,它提供了基本上无膜的隔间、浓缩和分离的细胞成分,以实现一系列独特的生理功能,包括活细胞中的转录活动。通过序列分析和预测,作者发现FOXK1蛋白含有4个内在无序区(intrinsic disordered regions, IDRs),这些区域对于形成液体凝析物至关重要,表明FOXK1具有形成凝析物的性质。

随后作者构建并纯化了重组FOXK1-mEGFP融合蛋白。1,6-己二醇(1,6-HD)是一种脂肪醇,被广泛用于溶解LLPS液滴。将FOXK1-mEGFP加入到含有10%聚乙二醇-分子量8000(PEG-8000)缓冲液中,发现溶液变得不透明,而加入1,6-HD后溶液恢复清晰。液滴形成实验显示,FOXK1-mEGFP以浓度依赖的方式形成相分离的球形液滴,而mEGFP在所有测试条件下都保持弥散。FOXK1-mEGFP的液滴数量和液滴总面积与NaCl或3%1,6-己二醇浓度呈负相关。

为了确定单个FOXK1 IDR对相分离的贡献,作者使用mEGFP-tagged质粒生成了三种肽:含有第一个IDR的肽(FOXK11-133),含有第二个IDR的肽(FOXK1210-303),以及含有第三和第四个IDR的肽(FOXK1415-733)。液滴形成实验显示FOXK1210-303-mEGFP在HK-2细胞核中显示出更大、更多的液滴,并在1,6己二醇处理和NaCl处理下,液滴的大小和数量都有所减少。这些结果表明FOXK1液滴具有高动态,FOXK1可以在细胞核内形成凝析物;其中FOXK1210-303形成液滴的能力相对更好。

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图6 FOXK1蛋白具有形成液滴的能力

 七 
FOXK1凝聚物包含活性基因转录必需的转录蛋白

先前的研究发现,相分离参与了RNA聚合酶II(RNA Pol II)在启动子区域的转录延伸活性。为了确定FOXK1凝聚物是否参与RNA Pol II转录调控复合物的组装,作者首先评估了RNA Pol II与FOXK1 IDR的共定位。发现FOXK1210-303-mEGFP与RNA Pol II共定位后形成大凝聚体。随后作者使用Integrated Interactions Database进一步分析了RNA Pol II与FOXK1相互作用的亚基,发现FOXK1与RNA Pol II亚基之一POLR2K(RNA Pol II亚基K)相互作用。并使用共免疫沉淀实验进行了验证。研究结果表明IDR对驱动FOXK1转录功能至关重要。

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图7 FOXK1 IDRs与活细胞内液滴中的RNA PoI II相互作用

肾包膜下(SC)给药AAV9-shFoxk1可显著减轻UUO和IRI小鼠模型的肾纤维化病变

TECs特异性的Foxk1缺失抑制了肾纤维化的发展,这启发了靶向Foxk1治疗CKD的治疗潜力。因此,作者探索了一种以腺相关病毒(AAV)血清型9(AAV9)作为基因传递工具,通过肾SC给药的基因治疗策略。作者构建了Ksp-cadherin启动子方向携带Foxk1特异性shRNA的AAV9(AAV9-shFoxk1)以及AAV9-shctrl,并通过肾SC注射给6周龄小鼠。注射AAV9-shFoxk1 6周后,肾脏中FOXK1 mRNA和蛋白表达均显著降低。在UUO和IRI小鼠模型中,AAV9-shFoxk1处理的小鼠肾脏纤维化明显减轻,糖酵解强度和糖酵解相关转录物显著下调。这些结果表明,在CKD治疗中有希望通过FOXK1靶向基因治疗来预防病变肾脏的糖酵解和纤维化病变。

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文章总结

总之,本文在肾纤维化进程中发现了一个新的纤维化因子,转录因子FOXK1,它以近端TEC特异性分布和损伤和修复失败的细胞状态相关的方式出现。FOXK1在TECs中促进从FAO到糖酵解的能量代谢转换和加重肾纤维化进程中起关键作用。FOXK1转录上调了一系列糖酵解相关基因,这些基因通过细胞核内的LLPS形成凝聚体,并与靶基因基序相互作用。此外,还探索了以腺相关病毒血清型9(AAV9)作为基因传递工具,通过肾SC给药的肾纤维化基因治疗策略。


·  爱基百客王牌产品ChIP-seq简介 · 


· ChIP-seq相关介绍 ·

ChIP-seq技术将染色质免疫共沉淀和二代测序技术结合,是研究体内蛋白质与DNA相互作用的有力工具,可用于组蛋白修饰、RNA聚合酶、转录因子和辅因子以及G4链体(G4)等方面的研究,技术成熟稳定。爱基百客ChIP-seq可提供:

  • ChIP-seq测序分析

Peak分析: Peak注释和分布分析,Peak关联基因的GO、KEGG的注释和富集分析, 转录因子和Motif分析等。

多样本差异分析:差异Peak分布情况统计,差异 Peak 关联基因GO、KEGG 功能注释与富集,转录因子预测,Motif 预测等。

·  后续验证

01 ChIP-qPCR

分析组蛋白修饰/转录因子与染色质区域的结合情况,揭示染色质状态和基因表达调控之间的关系,真实反映结合特性。

02 EMSA

基于DNA-蛋白质复合体在聚丙烯酰胺凝胶电泳(PAGE)中的迁移率不同,检测活化的与DNA结合的蛋白转录或调节因子。

03 双荧光素酶报告实验

检测转录因子与靶启动子的特异结合。

  • ChIP-seq+转录组关联分析

ChIP-seq和转录组关联分析可以做以下2个方面的研究:

1、DNA结合蛋白和基因表达调控:通过ChIP-seq技术可以确定DNA结合蛋白(如转录因子)的结合位点,然后与转录组数据结合分析,可以获得转录因子直接调控的靶基因,为全面理解转录因子调控功能提供依据。

2、组蛋白修饰和基因表达:ChIP-seq可以用于鉴定组蛋白修饰的位点,结合转录组数据可以了解这些修饰对基因表达的影响。

·  爱基百客ChIP-seq三大优势

优势一:项目经验丰富,研究物种200+种,累计实验2000余次。全面覆盖医口和农口等不同样本,不惧特殊样本(如脂肪组织、高淀粉组织和真菌类),抗体经验也极其丰富(多种组蛋白修饰、转录因子、标签抗体以及p300和RNApol II等均有涉及);

优势二提供前期实验设计、测序、分析以及后期验证(ChIP-qPCR、EMSA)一站式服务;

优势三:项目文章多次发表于ScienceCancer Cell、Nature Plants、Nature Metabolism以及Plant Cell等期刊。

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2024.07.08  产品总览 转曲-2.png


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