[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究表明，人类癌基因组非编码区域中的转录因子（TF）结合基序受到负向选择，意味着改变基序亲和力的突变在多种癌症类型中均呈耗竭状态。通过考虑癌症类型特异的突变特征，作者发现FOX、HOX和NR家族转录因子的基序具有保守性，尤其在DNase可及区域中更为显著，表明进化压力旨在维持对癌细胞存活至关重要的调控回路。

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.

研究动机与目标

• 研究体细胞突变是否在人类癌症中对转录因子（TF）结合基序施加负向选择。
• 评估癌症类型特异性突变特征对非编码区域基序保守性的影响。
• 确定DNase高敏区域（提示染色质开放状态）是否表现出更强的基序保守性。
• 识别在多种癌症中其结合基序被优先保留的转录因子家族。
• 探讨基序保守性对癌细胞调控网络稳定性的功能意义。

提出的方法

• 利用TCGA数据对多种癌症类型的体细胞非编码变异进行分析。
• 通过基序富集分析识别与非编码变异共定位的转录因子结合基序。
• 考虑突变特征（如APOBEC、吸烟、衰老等）以校正背景突变偏差。
• 将基序改变变异的实际突变频率与中性进化下的预期频率进行比较。
• 使用DNase-seq数据对开放染色质区域的保守性进行分层分析。
• 通过统计检验检测是否偏离中性预期，以推断负向选择。

实验结果

研究问题

• RQ1 改变转录因子结合基序亲和力的突变是否在人类癌症中呈耗竭状态，表明存在负向选择？
• RQ2 在具有不同突变特征的癌症类型中，基序保守性的强度是否存在差异？
• RQ3 基序保守性是否在DNase I高敏区域中更强，表明其在开放染色质中的功能重要性？
• RQ4 哪些转录因子家族在癌基因组中表现出最显著的结合基序保守性？
• RQ5 转录因子结合基序的保留是否有助于癌细胞避免关键调控回路的失调？

主要发现

• 负向选择作用于人类癌基因组非编码区域的转录因子结合基序，其改变基序亲和力的突变数量显著少于随机预期。
• 这种保守性在FOX、HOX和NR家族的转录因子中最为显著，表明其基序受到强烈的选择约束。
• 基序保守性在DNase I高敏区域中显著富集，提示其在开放染色质中的功能相关性。
• 在校正癌症类型特异性突变特征后，该效应依然存在，证实耗竭并非由突变偏差导致。
• 研究结果表明，涉及这些转录因子的调控回路对癌细胞存活至关重要，其破坏具有进化成本。
• 在多种癌症中基序的保守性表明，肿瘤发生过程中存在一种共同的调控网络稳定机制。