Systematic analysis of gene expression data from Kmt2d and Kdm6a knockout cells

Abstract

Kabuki heilkenni (KS) er sjaldgæfur sjúkdómur sem einkennist af margvíslegum meðfæddum göllum eins og áberandi andlitseinkennum, þroskahömlun, vaxtaskerðingu og skertu ónæmiskerfi. Tengsl hafa fundist milli sjúkdómsins og stökkbreytinga í tveimur genum, annarsvegar lýsín-sértækum metýltransferasa 2D (KMT2D) og hinsvegar lýsin-sértækum afmetýltransferasa (KDM6A). Stökkbreytingar í genunum gera próteinafurðir genanna óstarfhæfar. Próteinin spila hlutverk í umframerfðum en þau virkja genatjáningu með því að umbreyta histónum. Lítið er vitað um hvaða genum KMT2D og KDM6A stjórna og hvernig gallar í þeim tengjast framgöngu Kabuki heilkennisins. Þar sem bæði Kabuki genin stjórna tjáningu annarra gena með histónhala metýleringu og birtingamynd sjúkdómsins er svipuð hjá einstaklingum með annaðhvort genið stökkbreytt, liggur við að spyrja hvort genin stjórni stundum tjáningu sömu gena eða genaferlum og að það sé ástæða þess að birtingamynd heilkennisins sé svipuð milli Kabuki genanna tveggja? Til að meta þessa tilgátu var öllum þeim raðgreiningargögnum úr músatilraunum, þar sem annað hvort Kabuki genanna er stökkbreytt, hlaðið niður úr gagnagrunninum GEO (Gene Expression Omnibus) og þau greind á kerfisbundinn hátt. Sú nálgun gerði kleift að bera saman genatjáningu milli ólíkra vefja eða frumlína frá mismunandi gagnasettum fyrir hvert KS gen. Niðurstöður benda til þess að stökkbreytingar í annað hvort Kmt2d eða Kdm6a valdi vefjasértækum áhrifum og voru áhrifin meiri í sumum vefjum. Fá gen sýndu breytingu á tjáningu í sömu átt innan allra gagnasetta fyrir Kmt2d og það sama átti við um Kdm6a gagnasettin. Sum gen sýndu mismunatjáningu í gagnstæðar áttir milli gagnasafna sem gæti bent til að auk þess að virkja genatjáningu, gætu KS próteinin bælt genatjáningu í einhverju samhengi. Við fundum 22 gen sem áttu það sameiginlegt að vera marktækt mismunatjáð í bæði Kmt2d og Kdm6a gagnasettum. Sum þessa gena gegna hlutverkum í vefjum sem sjúkdómurinn herjar á og önnur hafa tengsl við sjúkdóma sem sýna einkenni sem svipar til þeirra sem fyrirfinnast í KS. Greining á starfsemi þessa gena gefa til kynna að KMT2D og KDM6A stjórni genum sem eru mikilvæg snemma í þroskun vefja sem sjúkdómurinn hefur áhrif á, eins og brjóskforvera í andliti, beinum og eitilfrumum. Þessar niðurstöður gætu hugsanlega varpað ljósi á frekari sameindalíffræðileg tengsl milli genanna og hversvegna stökkbreytingar hjá tveim genum valda svipaðri meingerð.

Kabuki syndrome (KS) is a rare dominant disease with multiple congenital characteristics including distinctive facial features, growth retardation, intellectual disability and immune deficiency. KS is caused by loss-of-function mutations in either the lysine-specific methyltransferase 2D (KMT2D) or the lysine-specific demethylase 6A (KDM6A); both players of the epigenetic machinery that activate gene expression through histone modifications. The pathogenic sequence of KS is unknown but the phenotypic similarity observed as a result of a mutation within either KMT2D or KDM6A, suggests that the genes regulate expression of common genes or affect common biological pathways. To address this question, all available RNA-sequencing data from mice with either Kmt2d or Kdm6a genes mutated were collected from GEO (Gene Expression Omnibus) and analyzed in a systematic way. This enabled assessment of the similarities in gene expression between different tissue or cell types from different datasets for each KS gene. The data suggest that a mutation in either Kmt2d or Kdm6a causes tissue-specific abnormalities and the impact is greater in some tissue types than others. Few genes showed consistent gene expression in one direction in all datasets for either KS genes. Some genes showed conflicting direction of expression between datasets which may indicate that in addition to acting as activators of gene expression, they might also function as suppressors of gene expression in some contexts. A total of 22 genes were commonly differentially expressed in both Kmt2d and Kdm6a datasets. Some of those genes have functional roles in tissues that are affected in individuals with KS or are associated with diseases that show phenotypic similarities with KS1 and KS2. Functional analysis results suggest that KMT2D and KDM6A regulate genes that are important during early development of tissues that are seen disrupted in individuals with KS such as craniofacial cartilages, bones and lymphocytes. The results contributes to the understanding of epigenetic dysregulation during development of Kabuki syndrome and further insight into the pathogenesis of the disease.