[論文レビュー] Negative selection maintains transcription factor binding motifs in human cancer

Ilya E. Vorontsov, Ivan V. Kulakovskiy+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 9, 2015

Genomics and Chromatin Dynamics参考文献 27被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、ヒトがんゲノムの非コーディング領域における転写因子（TF）バインディングモチーフが、負の選択を受けていることを示している。これは、モチーフアフィニティを変える突然変異が、複数のがん型にわたり枯渇していることを意味する。がん型特異の突然変異サインチャに配慮することで、FOX、HOX、NRファミリーに属するTFのモチーフが保存されていることが示され、特にDNase感受性領域で顕著である。これは、のがん細胞の生存に不可欠なレギュラトリィーサーキットを維持する進化的な圧力があることを示している。

ABSTRACT

Somatic mutations in cancer cells affect various genomic elements disrupting important cell functions. In particular, mutations in DNA binding sites recognized by transcription factors can alter regulator binding affinities and expression of target genes. A number of promoter mutations have been linked with an increased risk of cancer, mutations in binding sites of selected transcription factors have been found under positive selection. However, negative selection of mutations in coding regions is elusive and significance of negative selection in non-coding regions remains controversial. Here we present analysis of transcription factors with binding sites co-localized with non-coding variants. To avoid statistical bias we account for mutation signatures of different cancer types. For many transcription factors, including multiple members of FOX, HOX, and NR families, we show that human cancers accumulate fewer mutations than expected by chance that increase or decrease affinity of binding motifs. Such conservation of motifs is even more exhibited in DNase accessible regions. Our data demonstrate negative selection against binding sites alterations and suggest that this selection pressure protects cancer cells from rewiring of regulatory circuits. Further analysis of transcription factors and the respective conserved binding motifs can reveal cell regulatory pathways crucial for the survivability of various human cancers.

研究の動機と目的

• ヒトのがんにおいて、転写因子（TF）バインディングモチーフの突然変異が負の選択の対象となっているかどうかを調査すること。
• がん型特異の突然変異サインチャが非コーディング領域におけるモチーフ保存に与える影響を評価すること。
• DNaseハイパースエンシティブ領域（オープンクロマチンを示す）が、モチーフ保存を強化しているかどうかを検討すること。
• 多様ながんにおいて、特に保存が顕著な転写因子ファミリーを同定すること。
• モチーフ保存の機能的意義が、のがん細胞のレギュラトリィーネットワーク安定性に与える影響を明らかにすること。

提案手法

• TCGAデータを用いた、複数のがん型における体細胞非コーディングバリアントの解析。
• モチーブエンrichメント解析を通じて、非コーディングバリアントと共局在するTFバインディングモチーブの同定。
• APOBEC、喫煙、加齢など、突然変異サインチャを補正して、背景的な突然変異バイアスを補正すること。
• 中立進化の下での予想頻度と比較して、モチーブを変更するバリアントの観察頻度を検証すること。
• DNase-seqデータを用いて、オープンクロマチン領域における保存の層別化を行うこと。
• 中立的期待値からの逸脱を統計的有意性で検証し、負の選択を推定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 転写因子バインディングモチーブアフィニティを変える突然変異が、ヒトのがんにおいて枯渇しているか。これは負の選択を示唆するか。
• RQ2 がん型特異の突然変異サインチャを有する異なるがん型において、モチーブ保存の強さに差があるか。
• RQ3 DNase Iハイパースエンシティブ領域でモチーブ保存が顕著であるか。これはオープンクロマチンにおける機能的意義を示唆するか。
• RQ4 どの転写因子ファミリーが、のがんゲノムにおいてモチーブの保存が顕著に強いのか。
• RQ5 TFバインディングモチーブの保存が、のがん細胞の主要レギュラトリィーサーキットの不規則な発現を防いでいるか。

主な発見

• 非コーディング領域における転写因子バインディングモチーブは、ヒトのがんにおいて負の選択を受けており、期待される頻度よりも、モチーブアフィニティを変える突然変異が顕著に少ない。
• この保存は、FOX、HOX、NRファミリーに属するTFに対して特に顕著であり、これらのモチーブが強い選択的制約を受けていることを示している。
• モチーブ保存は、DNase Iハイパースエンシティブ領域で顕著に豊富であり、オープンクロマチンにおける機能的関連性を示唆している。
• がん型特異の突然変異サインチャを補正した後もこの効果が維持され、枯渇が突然変異バイアスによるものではないことを確認した。
• これらのTFを含むレギュラトリィーサーキットがのがん細胞の生存に不可欠であり、その破壊が進化的にコストがかかる可能性を示唆している。
• 多様ながんにわたりモチーブが保存されていることから、がん形成におけるレギュラトリィーネットワーク安定化の共通メカニズムがあると考えられる。