[논문 리뷰] Negative selection maintains transcription factor binding motifs in human cancer

Ilya E. Vorontsov, Ivan V. Kulakovskiy외 5명|arXiv (Cornell University)|2015. 11. 09.

Genomics and Chromatin Dynamics참고 문헌 27인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 인간 암 게놈의 비코딩 영역에 있는 전사인자(TF) 결합 모티프가 부정적 선택을 받고 있음을 보여주며, 이는 모티프 친화도를 변화시키는 돌연변이가 여러 암 유형에서 부족하게 나타남을 의미한다. 암 유형별 돌연변이 서명을 고려함으로써, FOX, HOX, NR 계열의 전사인자 모티프가 특히 DNase 접근성이 높은 영역에서 보존됨을 밝혀내어, 암세포 생존에 필수적인 조절 회로를 유지하기 위한 진화적 압력이 있음을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 인간 암에서 전사인자(TF) 결합 모티프의 돌연변이가 부정적 선택을 받는지 조사하는 것.
• 암 유형에 특화된 돌연변이 서명이 비코딩 영역의 모티프 보존에 미치는 영향을 평가하는 것.
• DNase 하이퍼센시티브 영역—개방된 염색체 구조를 나타내는 것—에서 모티프 보존이 더 강하게 나타나는지 확인하는 것.
• 다양한 암에서 특히 보존되는 전사인자 계열을 특정하는 것.
• 모티프 보존이 암세포 조절 네트워크 안정성에 미치는 기능적 의미를 탐구하는 것.

제안 방법

• TCGA 데이터를 활용한 다수의 암 유형에서의 체세포 비코딩 변이 분석.
• 모티프 풍부도 분석을 통해 비코딩 변이와 공위치한 전사인자 결합 모티프 식별.
• APOBEC, 흡연, 노화 등의 돌연변이 서명을 고려하여 배경 돌연변이 편향을 보정하는 것.
• 중립 진화 하에서 기대되는 빈도와 비교하여 모티프 변화를 일으키는 변이의 관측된 돌연변이 빈도를 비교하는 것.
• DNase-seq 데이터를 사용하여 개방된 염색체 영역에서의 보존도를 분류하는 것.
• 중립 기대에서의 벗어남을 통계적 검정으로 평가하여 부정적 선택을 추론하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전사인자 결합 모티프 친화도를 변화시키는 돌연변이가 인간 암에서 부족하게 나타나는가, 즉 부정적 선택이 작용하는가?
• RQ2 다른 돌연변이 서명을 가진 암 유형 간에 모티프 보존 강도가 달라지는가?
• RQ3 DNase I 하이퍼센시티브 영역에서 모티프 보존이 더 강하게 나타나는가, 이는 개방된 염색체에서의 기능적 중요성을 시사하는가?
• RQ4 어느 전사인자 계열이 암 게놈에서 결합 모티프 보존이 가장 뚜렷한가?
• RQ5 전사인자 결합 모티프의 보존이 암세포의 핵심 조절 회로의 이탈을 방지하는가?

주요 결과

• 비코딩 영역의 전사인자 결합 모티프에 대해 부정적 선택이 작용하며, 기대되는 것보다 모티프 친화도를 변화시키는 돌연변이의 수가 유의미하게 적다.
• 이 보존은 FOX, HOX, NR 계열의 전사인자에서 가장 두드러지며, 이들의 모티프가 강한 선택적 제약를 받고 있음을 시사한다.
• 모티프 보존은 DNase I 하이퍼센시티브 영역에서 뚜렷하게 풍부하며, 개방된 염색체에서의 기능적 관련성이 있음을 시사한다.
• 암 유형별 돌연변이 서명을 보정한 후에도 효과가 유지되어, 부족함이 돌연변이 편향 때문이 아니라는 점을 확인한다.
• 이러한 TF를 포함한 조절 회로가 암세포 생존에 필수적이며, 이들의 손상은 진화적으로 비용이 많이 든다는 것을 암시한다.
• 다양한 암에서 모티프 보존이 공통적으로 관찰되어, 종양 발생 과정에서 조절 네트워크 안정화의 공통 메커니즘이 존재함을 시사한다.